Revista Polo del Conocimiento


Polo del Conocimiento

 

 

Caractersticas y factibilidad del sistema de inyeccin a Diesel. Una revisin bibliogrfica

 

Characteristics and feasibility of the Diesel injection system. A literature review

 

Caractersticas e viabilidade do sistema de injeo Diesel. Uma reviso de literatura

Silvia Lorena Pinto Ayala II
spinto@ist17dejulio.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-3155-1855
Cristian Miguel Yacelga Campus I
cristian.yacelga230@ist17dejulio.edu.ec
 https://orcid.org/0000-0002-3082-6896
Luis Caiza Quishpe III
lcaiza@ist17dejulio.edu.ec
 https://orcid.org/0000-0003-4343-7280
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Correspondencia: [email protected]

 

 

Ciencias Tcnicas y Aplicadas

Artculo de Investigacin

* Recibido: 23 de julio de 2022 *Aceptado: 12 de agosto de 2022 * Publicado: 15 de septiembre de 2022

 

  1. Instituto Superior Tecnolgico 17 de julio, Urcuqui, Ecuador.
  2. Instituto Superior Tecnolgico 17 de julio, Urcuqui, Ecuador.
  3. Instituto Superior Tecnolgico 17 de julio, Urcuqui, Ecuador.

Resumen

En la actualidad, las diferentes iniciativas enfocadas en mejorar las condiciones medioambientales, como la disminucin de la emisin de gases de efecto invernadero, as como los gases contaminantes como los xidos nitrosos NOX, y el material particulado MP, han sometido a los motores disel a cumplir una gran cantidad de regulaciones gubernamentales, por lo que desarrollar las caractersticas de los sistemas de inyeccin, desde una perspectiva terica, puede explicar cmo es factible cumplir con dichas exigencia y como diferentes trabajos mediante el control, ajuste del sistema de inyeccin han logrado obtener datos que demuestran que se ha logrado mejorar las prestaciones del motor, eficiencia y reducir la cantidad de emisin de gases contaminante. De igual modo la importancia de cada componente y su funcin en el comportamiento del sistema de inyeccin.

Palabras Clave: Sistema de inyeccin disel; motores disel; inyeccin directa disel.

 

Abstract

At present, the different initiatives focused on improving environmental conditions, such as the reduction of greenhouse gas emissions, as well as polluting gases such as nitrous oxides, NOX, and particulate matter PM, have subjected diesel engines to comply with a large number of government regulations, so developing the characteristics of the injection systems, from a theoretical perspective, can explain how it is feasible to comply with said requirements and how different works through the control, adjustment of the injection system have managed to obtain Data that shows that it has been possible to improve engine performance, efficiency and reduce the amount of polluting gas emissions. In the same way the importance of each component and its function in the behavior of the injection system.

Keywords: Diesel injection system; diesel engines; diesel direct injection.

 

Resumo

Atualmente, as diferentes iniciativas voltadas para a melhoria das condies ambientais, como a reduo das emisses de gases de efeito estufa, bem como de gases poluentes como xidos nitrosos, NOX e material particulado PM, tm submetido os motores diesel a cumprir um grande nmero de normas governamentais. regulamentaes, de modo que o desenvolvimento das caractersticas dos sistemas de injeo, de uma perspectiva terica, pode explicar como vivel cumprir com esses requisitos e como diferentes trabalhos atravs do controle, ajuste do sistema de injeo conseguiram obter dados que mostram que ele foi possvel melhorar o desempenho do motor, a eficincia e reduzir a quantidade de emisses de gases poluentes. Da mesma forma a importncia de cada componente e sua funo no comportamento do sistema de injeo.

Palavras-chave: Sistema de injeo diesel; motores a diesel; injeo direta diesel.

Introduccin

El cambio climtico es un tema que desde hace tiempo ha estado ocupando los principales debates a nivel global, desde el mbito acadmico, pasando por lo poltico y los social, como se puede constatar, por ejemplo, en las nuevas legislaciones que gobiernos como los de la Unin Europea ha establecido a las diferentes industrias, una de ellas la elctrica la cual esperan sacar de funcionamiento las centrales elctricas que utilizan carbn, as como la automotriz, donde acotan los niveles de elementos contaminantes, por lo cual estn comenzando a desarrollar los vehculos elctricos (Barrera-Martnez et al., 2020).

No obstante, la industria automotriz sigue desarrollando y fabricando vehculos con motores de combustin interna, ms eficientes, de bajo consumo de combustible y bajas emisiones de gases de efecto invernadero como el dixido de carbono, y material particulado. Por lo que en los ltimos aos se ha logrado reducir los niveles de emisiones de dixido de carbono CO2, monxido de carbono CO, xidos de nitrgeno NOX, hidrocarburos sin quemar, material particulado MP (Ladino, 2019).

Debe sealarse que, el disel es considerado como uno de los combustibles para vehculos ms amigables con el medio ambiente, debido a su baja emisin de CO2, aunque hay que considerar que presenta altos niveles de NOX, y MP, por lo que se sigue investigando para lograr reducir las emisiones de estos gases (Yoon et al., 2018).

En este sentido, se ha evaluado que, para los motores de inyeccin directa, la inyeccin de combustible y los procesos de formacin de roco, es decir, el proceso de fragmentacin y/o aspersin influyen en el desarrollo de la combustin, y al mismo tiempo en la formacin de las emisiones (Magnottia y Genzalea, 2017)

De igual manera, en el motor disel de inyeccin directa (DI), puesto que el combustible es inyectado directamente en el cilindro justo al final de la carrera del pistn en compresin, el tiempo para que se logre realizar la mezcla entre el combustible y el aire es muy corto. Es por ello, que se ha desarrollado estudios donde se evala el aumento del tiempo de mezcla de combustible y aire, logrando mejorar las caractersticas de combustin y escape (Yoon et al., 2018).

Asimismo, el comportamiento y funcionamiento de los motores disel est ntimamente relacionado con el proceso de combustin, debido a que la admisin, compresin, escape, el periodo de rpida combustin, y la rapidez de accin de todo el conjunto del motor, est influenciado desde el instante en que se introduce el combustible a travs de los inyectores al cilindro y ocurre el autoencendido (Asqui et al., 2021).

Se observa que, ha aumentado las demandas de motores disel, puesto que presenta mayor eficiencia trmica si se compara con los motores a gasolina. Como se ha comentado anteriormente, debido a la presencia de NOX, y PM, se han venido desarrollando nuevas tecnologas con el propsito de disminuir las emisiones, tales como el empleo de combustibles ecolgicos tales como el biodiesel, el dimetil-eter, bioetanol, entre otros, as como, la ignicin por compresin controlada por reactividad RCCI y la combustin a baja temperatura LTC, por citar algunos, logrando reducir las emisiones del escape (Kim et al., 2016).

Si bien es cierto, el aumento del precio del petrleo y sus derivados, as como las normativas medioambientales, ha motivado a acelerar la evolucin de los motores disel, y como, se ha comentado en prrafos anteriores, se ha venido desarrollando tecnologas alrededor del sistema de inyeccin disel common-rail, mediante el uso de inyectores piezoelctrico. Lo que permite controlar de manera ms precisa, gracias al cristal piezoelctrico el flujo de combustible, controlando el proceso de inyeccin, logrando disminuir el consumo de combustible, el nivel de ruido que se produce al momento de la combustin, y por tanto las emisiones de gases (Barrera-Martnez et al., 2020).

De igual modo, el uso de la electrnica en los sistemas de inyeccin, se ha logrado controlar de forma ms precisa las proporciones de la mezcla aire-combustible, lo que ha permitido mejorar el rendimiento de los motores, a menor consumo de combustible y mayor potencia obtenida. Mediante la unidad electrnica de control o ECU, as como diferentes sensores permiten la estimacin de las proporciones de mezcla, el instante que debe ingresar a la cmara de combustin (Mora-Quijano et al., 2022)

Igualmente, el rendimiento, el nivel de ruido y la emisin de gases est relacionado con el proceso de combustin del motor disel, as como la naturaleza del combustible que es inyectado dentro de la cmara de combustin, a medida que se incrementa la presin de inyeccin se incrementa de igual forma la velocidad de inyeccin del combustible, lo que hace ms fcil que se produzca el fenmeno de la atomizacin, mezcla aire-combustible, y vaporizacin del combustible. Logrando de esta forma incrementar la liberacin de calor, y la reduccin del consumo (Asqui et al., 2021)

Por lo ante expuesto, el objetivo de esta investigacin tiene como propsito desarrollar las caractersticas y factibilidad de los sistema de inyeccin disel, desde una perspectiva terica y documental, puesto y como se ha explicado, el entendimiento del sistema de inyeccin de un motor permite idear y desarrollar mejoras significativamente en el desempeo del motor, y de esta forma mejorar la eficiencia, disminuir el consume de combustible, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero as como contaminantes. Por otro lado, permite genera una visin de lo complejo e importante que son los sistemas de inyeccin disel, su funcionamiento y partes que lo componen.

Este trabajo de investigacin emplear una metodologa enfocada en una de tipo documental, descriptiva, y transversal cuyo tema principal se enfocar en los sistemas de inyeccin disel, en motores de combustin interna.

 

Metodologa

Los fundamentos tericos que se han desarrollado en este trabajo de investigacin, acerca de las caractersticas de los sistemas de inyeccin disel, descripcin del sistema, avances en el desarrollo de tecnologas asociado a los motores disel que emplean inyectores. Considerando lo que explica Mejas (2005), sobre el tipo de investigacin, donde las caractersticas ms destacadas de la investigacin son como se plantea resolver los objetivos propuestos, por lo que esta investigacin es terica al aportar los fundamentos conceptuales y tericos acerca de los sistemas de inyeccin disel.

Igualmente, este trabajo de investigacin se sustenta en un anlisis sistemtico de la informacin recabada acerca de los sistemas de inyeccin disel con la finalidad de entender las caractersticas de estos sistemas, su importancia y hasta cierto punto explicar el estado actual del conocimiento (Bernal, 2010).

En el mismo orden de idea, esta investigacin al enfocarse en obtener informacin independiente, as como exponer con detalle una visin de las caractersticas de los sistemas de inyeccin disel, por lo que este trabajo es una investigacin descriptiva, y al ser terica por lo tanto es no experimental, junto al hecho de que no se realiza manipulacin de variables (Hernndez et al., 2014).

Como fuente de la informacin utilizada para la elaboracin de este trabajo de investigacin, se emplearon los siguientes criterios: artculos de revistas indexadas, tesis de grado, maestra o doctorado de universidades, de fechas recientes, el idioma tanto en ingls como en espaol, usando los motores de bsqueda en rea cientficas como en Google acadmico, Elsevier y Researchgate, empleando las palabras claves sistema inyeccin disel, motores disel.

 

Resultados y discusin

Un vehculo para ponerse en marcha, es imprescindible alimentar con combustible el motor, los primeros sistemas empleados era por medio del carburador, el cual paulatinamente fue reemplazado por el sistema de inyeccin, puesto se estos emplean sensores, y sistemas de cmputo que permiten medir diferentes parmetros del motor, y como resultado, por ejemplo, se obtienen la relacin exacta entre la cantidad de combustible y de aire para una combustin y aprovechamiento del combustible lo ms ptimo posible (Aguilar et al., 2022).

En necesario acotar que, se encuentra diferencia en la manera como se produce la combustin y se hace la alimentacin de combustible entre los motores a gasolina y los motores disel. En los motores disel a lo largo del ciclo de admisin el cilindro solo se llena de aire, la compresin es mayor por lo que se aumenta la temperatura del aire de tal manera que se puede encender el combustible inyectado a travs de los inyectores a la cmara, a diferencia de los motores a gasolina donde se inyecta por los inyectores la mezcla aire-combustible y la ignicin se realiza a travs de la chispa de una buja, Ver figura 1 (Reyes, 2018).

La unidad de control de motor o ECU, mediante los diferentes sensores, a travs de las variaciones de las seales elctricas enviadas por ellas a la ECU, esta, analiza y contrasta con los valores programado y/o preestablecidas en funcin del diseo y prestaciones del motor, a su vez, efecta los clculos adecuados con el objeto de enviar las seales a los diferentes actuadores para que las prestaciones del motor sean las ms eficientes (Aguilar et al., 2022).

 

Figura 1

Diferencia entre los motores disel (lado izquierdo) y motores a gasolina (lado derecho)

Fuente: (Stefanelli, 2022)

En este sentido, es importarte comentar que el funcionamiento de un motor disel esta correlacionado con el factor presin - temperatura, factores que influyen directamente en la combustin del disel o biodiesel segn sea el caso, y a su vez, en el sistema de inyeccin. Este sistema, constituido por 2 componentes esenciales la bomba de inyeccin y los inyectores (Guerrero, 2018) (Ver figura 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 2.

Elemento del sistema de inyeccin disel common rail

Fuente: (Doctor Auto Chain, 2022)

 

Como se puede apreciar en la figura 2, el sistema de inyeccin de los motores disel, adems de utilizar dos componentes como los mencionado anteriormente, el sistema a su vez, se puede dividir en 2 partes una que opera a baja presin, la cual ira desde el depsito de combustible hasta la bomba de alta presin, y la otra seccin que opera a alta presin, que va desde la bomba de alta presin hasta los inyectores (Mora-Quijano et al., 2022).

Asimismo, los sistemas de inyeccin directa disel, carecen de una bomba de inyeccin lineal o rotativa, el control de la inyeccin y el sistema de presin son independiente, el ECU permite controlar la cantidad y la profundidad de inyeccin con un alto nivel de exactitud. De esta manera, se puede mantener el nivel de presin de inyeccin uniforme, bajo cualquier rgimen del motor (Passo et al., 2019).

Tambin, se ha encontrado que mejorar la atomizacin del combustible y la optimizacin del proceso de combustin son puntos de inters para mejorar el rendimiento del motor, y a su vez disminuir el consumo de combustible y las emisiones contaminantes, es por ellos que diferentes trabajos han evaluado las caractersticas de la atomizacin de diferentes disel (tanto derivados del petrleo como biodiesel), lo que ha arrojado que el tipo de combustible tienen comportamientos diferentes en cuanto a tamao de la gota como la profundidad de pulverizacin, asimismo, a mayor presin de mejora el equilibrio entre el volumen de pulverizacin y el tamao de la gota (Wang et al., 2019).

 

Figura 3

Partes de un inyector

Fuente: (Reyes, 2018)

 

En el mismo orden de idea, son los inyectores los encargados de pulverizar el combustible, as como conducir hacia la cmara de combustin y de manera homognea el combustible atomizado. Y a diferencia de los inyectores de los motores a gasolina, los inyectores para motores disel est expuesto a altos regmenes de trabajo como alta presin, y altas temperaturas (Reyes, 2018). En la figura 3 se puede visualizar las partes de un inyector.

Igualmente, se pueden clasificar los inyectores empleados en los motores disel, en dos grandes grupos los inyectores mecnicos, y los inyectores electrnicos, aunque hay algunos que por su manera de funcionar se pueden considera como un grupo diferente, los que se denominan inyectores electromecnicos, y a su vez cada uno de estos grupos se subdividen en otros subgrupos (ver figura 4).

 

Figura 4

Clasificacin de Inyectores

Fuente: propia a partir de (Guerrero, 2018)

 

Se puede decir que, los inyectores mecnicos disel, su funcin principal es pulverizar el combustible, y se activa o ponen en funcionamiento por la presin de combustibles, que es mantenida por la bomba de inyeccin, as como el tiempo de inyeccin y, adems, depende de la correcta sincronizacin del sistema de distribucin del motor y gracias al diseo de su estructura interna las presiones pueden llegar a ser muy elevadas obteniendo una correcta atomizacin de combustible. El sistema de tubera que suministra el combustible con el objetivo de mantener elevadas presiones, va desde la bomba de presin hasta los inyectores de manera individual. (Blanco y Camacho, 2018).

Como se aprecia en la figura 4, dentro los inyectores mecnicos se encuentra los inyectores mecnicos de un solo orificio, y como su nombre lo indica son inyectores que utiliza una nica tobera de inyeccin, y es utilizado para sistemas de inyeccin indirecta (Guerrero, 2018) y (Hilgers & Achenbach, 2021)

En el mismo orden de idea, los inyectores de lpiz, tambin un tipo de inyector mecnicos, son inyectores que estn diseados con cuatro o ms toberas de descarga y estn ubicadas directamente en la cmara de combustin (Guerrero, 2018) y (Hilgers y Achenbach, 2021)

Igualmente. los inyectores electrnicos de solenoide, controlan la apertura de inyector mediante el movimiento de la aguja gracias a un magneto y un campo magntico producido en las bobinas por el paso de corriente elctrica (Barrera-Martnez et al., 2020)

Los inyectores de bomba o bomba inyector, se considera una unidad, esta se coloca en cada cilindro del motor y es accionada a travs de sistemas colocados en el rbol de leva. Entre sus partes, tiene una vlvula solenoide que controla el suministro de combustible hacia la cmara de combustin (Blanco y Camacho, 2018)

Asimismo, Los inyectores electrnicos piezoelctricos permiten el control ms preciso en la cantidad de combustible que inyecta, as como la rapidez de su accionar. A menudo conducen a una mayor eficiencia y reduccin de emisiones (Wang et al., 2019).

En el mismo orden de idea, los inyectores HEUI denominado de esa forma por sus siglas en ingls, que se puede traducir como unidad de inyeccin electrnica hidrulica, puesto que se controla electrnicamente pero su accionar o funcionamiento es mediante la presin hidrulica (Puente, 2018).

En esta perspectiva, diferentes trabajos de investigacin han encontrado que las caractersticas de la pulverizacin, entre ellas el ngulo de pulverizacin, la velocidad de pulverizacin, han logrado obtener datos que permiten optimizar los parmetros de funcionamiento del motor (Wang et al., 2019).

Por otro lado, uno de los componentes que complementa el sistema de inyeccin es el common rail (Riel Comn) (ver figura 2), siendo este elemento en el que ms se ha desarrollado, puesto que minimiza el ruido en el proceso de combustin, as como permite reducir el consumo de combustible, y mejorar la eficiencia del motor (Reyes, 2018).

El common-rail, acta como un acumulado o componente que permite mantener la alta presin del sistema, y distribuir el combustible a cada inyector a la misma presin independientemente del rgimen al cual est funcionando el motor.

Como se ha comentado en los prrafos anteriores, este componente permite que todo el sistema pueda funcionar a dos condiciones de presin, una de baja presin, que es la que se encarga de suministrar el combustible a la bomba de alta presin, y la de alta presin que es la que se encarga de aportar las condiciones para el combustible al entrar en contacto con el aire comprimido a muy alta presin entre en combustin (Blanco y Camacho, 2018)

Para que todo el conjunto del sistema de inyeccin funciones, cuenta con una serie de dispositivos, sensores, actuadores que permite regular de presin y la cantidad de flujo que se comprimir la parte de alta presin, as como la estructura de regulacin, retorno y el sistema de control y activacin de inyectores del common rail (Passo et al., 2019).

Asimismo, el common rail, permite variar la presin de trabajo en la inyeccin del disel, y a su vez los tiempos de inyeccin. Ambos parmetros se pueden controlar debido a que hay separacin entre la presin obtenida por la bomba de alta presin y la inyeccin obtenida por los inyectores (Reyes, 2018).

Por otro lado, se tiene, los motores que no utilizan el common rail, uno de ellos son los motores que utilizan las bombas inyectores o sistema UIS y como se has descrito anteriormente, tanto la bomba de inyeccin y como el inyector forma una unidad (Ver figura 5). Puesto que este sistema carece del entramado de tuberas de alta presin, posibilita trabajar a presiones mucho mayores a las encontradas en otros sistemas. Gracias a un control electrnico de alta precisin, en la inyeccin, de igual manera, el caudal de inyeccin en conjunto con la altas presin de inyeccin, se puede disminuir las emisiones de gases y el consumo de combustible (Blanco y Camacho, 2018).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figura 4

Esquema del sistema bomba-inyector

Fuente: (Blanco y Camacho, 2018)

 

Igualmente, una vlvula electromagntica de accionamiento rpido controla la inyeccin del combustible, que a su vez es comandada por la unidad central del cmputo y control ECU, estableciendo el volumen ptimo de combustible, de igual modo, el preciso momento de ser inyectado a la cmara de combustin en funcin de rgimen de funcionamiento del motor.

 

Conclusin

Por lo antes expuesto, es indudable que, debido a la complejidad de los sistemas de inyeccin utilizados para los motores disel, es importante caracterizar cada uno de ellos, con el objeto de identificar los elementos que permiten mejorar las prestaciones de estos motores, disminuir la emisin de gases de efecto invernadero. Del mismo modo, y como se ha explicado, el control, disposicin, tiempo, caudal, ngulo de los inyectores tienen efectos significativos en la eficiencia de los motores, consumo de combustible y disminucin de gases de efecto invernadero.

 

 

Referencias

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