1.12.1. Alimentación y encendido del motor de gasolina

Alimentación y encendido del motor de gasolina (I)

La combustión generadora de la energía en el motor de gasolina se basa en quemar la mezcla adecuada de aire y gasolina en el interior de los cilindros.

El aire entra del exterior y la gasolina, que llega desde el depósito de combustible, se mezcla con él para que sea posible que se produzca la explosión.

Para que se inicie la combustión de la mezcla aire–gasolina es necesaria una chispa.

El aire entra al colector de admisión desde el exterior a través del filtro de aire.

La gasolina se puede aportar de diferentes formas, originalmente mediante el carburador que fue abandonado a partir de 1.993 al no poder satisfacer las normas anticontaminantes.

La evolución del sistema de alimentación llega con la inyección, con diferentes sistemas y ubicaciones de los inyectores.

Para facilitar el aprendizaje y adaptarlo lo más didácticamente posible a nuestros días, en este capítulo se van a explicar las tecnologías que permiten la mejor comprensión de los contenidos y en los siguientes capítulos de este tema se irán complementando con los demás aspectos relacionados, entre estos la evolución para reducir la contaminación y también se explicará porque el carburador fue desestimado, para valorar las aportaciones de las tecnologías sustitutivas.

Combustión eficiente y de alto rendimiento

Para que la explosión genere la fuerza (par motor) adecuada y con el menor consumo y contaminación posible, se ha de lograr la mejor calidad de mezcla y de chispa.

La animación siguiente expone las condiciones para satisfacer los objetivos con la imagen de un motor DOHC visto de frente:

  • Mariposa de gases en el colector de admisión; controlada por el pedal del acelerador regula la entrada del caudal de admisión a los cilindros, un cilindro en la imagen
  • Aportación de gasolina; en este caso se hace en el colector de admisión antes de la válvula, es inyección indirecta. En el capítulo 2.12.2. se explica la inyección indirecta y directa de gasolina
  • Chispa en la cámara de combustión; su función es iniciar la explosión de la mezcla aire–gasolina en el interior del cilindro al final del tiempo de compresión
  • Se representa el motor en funcionamiento y se analizan las características de la mezcla y de la chispa
  • Calidad de mezcla aire–gasolina:
    • Gasolina finamente pulverizada; cuanto más pequeñas sean las gotas de gasolina más se facilita la mezcla con el aire
    • Proporción de mezcla (dosado); la cantidad de cada uno de los componentes de la mezcla, aire y gasolina, ha de ser la adecuada para obtener el rendimiento previsto de la explosión
    • Mezcla aire–gasolina homogénea; además de que las proporciones sean correctas es trascendental que el reparto de la gasolina en el aire sea lo más uniforme posible, cada pequeña gota de gasolina ha de estar rodeada de la misma cantidad de aire, manteniendo la proporción (dosado)
  • Calidad de chispa:
    • Potente para iniciar la combustión; al producirse la chispa se inicia la explosión de la mezcla aire–gasolina que se continúa quemando progresivamente por capas
    • Momento de chispa según las RPM del motor; el instante de chispa ha de adaptarse a la velocidad de movimiento del pistón, es decir a las RPM, para lograr el máximo empuje sobre el pistón, par motor, cuando comienza su descenso
    • Momento de chispa según el llenado; la masa de gases de admisión influye en la velocidad de propagación de la combustión desde el instante de la chispa, es necesario adaptar el momento en que se produce la chispa, a la “carga” del motor, representada en la animación por el acelerador y la mariposa
    • No es lo mismo circular a 2.000 RPM con poca aceleración en llano que a estas RPM en subida con el acelerador más pisado
    • Las RPM son las mismas pero en el segundo caso la “carga” y llenado del motor son superiores
    • La chispa ha de adaptarse a cada situación de funcionamiento del motor
  • El dosado o proporción de mezcla aire–gasolina es determinante para los resultados del funcionamiento del motor; el valor del dosado indica los gramos de aire por 1 gramo de gasolina y estos son los tres más característicos:
    • 12,5 (gramos de aire por 1 gramo de gasolina); se obtienen los mejores valores de par y potencia, pero con bastante más consumo y contaminación
    • 14,57 (gramos de aire por 1 gramo de gasolina); es cuando se logra el mejor equilibrio de contaminación, pero con algo más de consumo y menos par y potencia
    • 18 (gramos de aire por 1 gramo de gasolina); permite el menor consumo de gasolina con menos par/potencia y peor equilibrio de contaminación
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En este capítulo vamos a tratar las tecnologías afectadas por las normativas anticontaminación, por lo que el dosado seleccionado será 14,57 (mezcla estequiométrica).

En el capítulo siguiente 1.12.2 se explica la contaminación del motor de gasolina y las soluciones adoptadas.

Concepto, esquema y elementos de inyección y del encendido electrónicos

La gasolina se aporta mediante el sistema de inyección, y la chispa en la bujía por el sistema de encendido.

Tanto la inyección como el encendido han ido evolucionando hasta llegar al control electrónico de su funcionamiento.

Con la animación que sigue vemos los procesos de actuación de la inyección y el encendido electrónicos:

  • En la admisión está el filtro de aire
  • El silenciador se ubica en el escape
  • Depósito de gasolina
  • Inyector de gasolina en el colector de admisión
  • Circuito de alimentación de gasolina a la inyección con el filtro de gasolina
  • Bujía de encendido en la cámara de combustión
  • Batería con una tensión nominal de 12 voltios
  • Bobina de encendido
  • Calculador electrónico de inyección y encendido (I + E)
  • Control electrónico de actuación del inyector
  • Bomba eléctrica de gasolina
  • Conexiones eléctricas entre los componentes de inyección y encendido
  • Funcionamiento del motor:
    • El aire se limpia de suciedad e impurezas en el filtro de aire antes de entrar al motor
    • La mariposa de gases gobernada por el acelerador regula el caudal de admisión
    • La bomba de gasolina eléctrica suministra el caudal de gasolina de inyección, pasando antes por el filtro de gasolina para evitar la llegada de impurezas a la inyección
    • Cuando lo determina el control electrónico del calculador de I + E abre el inyector durante el tiempo exacto aportando gasolina en la masa de aire de admisión, es la inyección electrónica
    • El hecho de que el inyector abra y cierre implica que la inyección es discontinua
    • La tensión de 12 voltios de la batería no es suficiente para provocar la chispa, la bobina la multiplica hasta más de 20.000 voltios para provocar el salto de chispa, es la tensión de alta
    • La tensión de la bobina llega a la bujía que tiene electrodos separados, cuando el valor es suficiente se produce el salto de chispa entre los electrodos que inicia la combustión de la mezcla aire–gasolina
    • En realidad la combustión se produce entre la gasolina y el oxígeno del aire, en otros capítulos relacionados con la contaminación se explican los aspectos de la combustión relacionados con los gases contaminantes
    • Mediante el silenciador en el escape se reduce el ruido y vibraciones de funcionamiento del motor
    • El calculador electrónico de I + E controla los tiempos de inyección y los instantes de chispa, para realizarlo dispone de informaciones de los datos de funcionamiento del motor implicados
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Durante el recorrido de la mezcla desde el inyector hasta el interior del motor, el aire y gasolina se van homogeneizando para que la explosión iniciada por la chispa en la bujía sea progresiva y aporte la máxima energía (par) posible.

También se busca la emisión de la menor cantidad de gases contaminantes, esto lo veremos en siguientes capítulos.

Inyector electrónico

Durante la evolución de la inyección de gasolina ha habido diferentes tipos de inyectores por su sistema de funcionamiento y actuación.

En este capítulo tratamos de la inyección con control electrónico que funciona tal como vemos en la animación:

  • Cuerpo del inyector; está hueco en su interior y cerrado por la parte superior
  • Por debajo hay un conducto estrecho hacia el exterior, es la salida de inyección
  • El pistón en su interior controla la salida de gasolina de inyección
  • Muelle; situado encima del pistón le empuja hacia abajo cerrando la salida de inyección
  • Alrededor del inyector hay un bobinado eléctrico controlado por el calculador de I + E mediante la señal eléctrica de inyección
  • En la parte superior interna del inyector se ubica un núcleo de hierro, está en el centro del bobinado eléctrico
  • La entrada de gasolina al inyector incide por un canal que está cerrado con el pistón en la parte inferior por el efecto del muelle
  • La bomba de gasolina eléctrica envía el combustible a presión a la entrada del inyector por las canalizaciones. No se ha representado el filtro de gasolina que está en el recorrido
  • Cuando el calculador envía la señal eléctrica de inyección, el bobinado y el núcleo de hierro conforman un electroimán que atrae al pistón venciendo la fuerza del muelle y abriendo el inyector
  • Durante el tiempo que dure la señal eléctrica se está inyectando gasolina
  • Cuando la señal se corta el muelle empuja al pistón y termina la inyección
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Este tipo de inyector se conoce también como electromagnético.

Calculador de inyección y encendido electrónicos

El funcionamiento del calculador electrónico de inyección y encendido (I + E) es complejo, pero se puede hacer una versión didáctica simplificada que será útil para entender los procesos, con la animación siguiente se explica:

  • Calculador electrónico; recibe las informaciones necesarias para controlar la inyección y el encendido mediante diferentes sensores
  • Bujía/s de encendido y su control electrónico desde el calculador, esquema simplificado
  • Inyector/es de gasolina, con la llegada de combustible y el control electrónico de actuación, está cerrado el inyector en este momento
  • Informaciones más influyentes para el control de la inyección y encendido por el calculador electrónico:
    • RPM del motor más caudal y presión de la masa de admisión; se determina con estos datos el tiempo base de inyección T”Bi
    • Temperatura (Tº) del motor; este dato es muy importante para el arranque en frío y durante el periodo de calentamiento del motor
    • Después sigue teniendo importancia pero las variaciones son menores
    • Tº de aire de admisión; influye en la densidad del aire y afecta a la combustión
    • Con estos dos datos de temperatura motor y de aire de admisión se determina el tiempo compensado de inyección T”Ci, que puede incrementar o disminuir el tiempo base de inyección T”Bi
    • La posición de la mariposa y sus movimientos determinan el tiempo de aceleración de inyección T”Ai, sumando o restando tiempo a los anteriores
    • Con estas informaciones (y otras más que no se incluyen, entre estas la posición de los pistones) el calculador determina el tiempo definitivo de inyección T”Di, durante el que se mantendrá la aportación de gasolina
    • Con estas informaciones el calculador controla también el instante exacto de la chispa en cada bujía para lograr la combustión más eficiente de la mezcla aire–gasolina
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Son bastantes más los elementos controlados por el calculador electrónico de inyección y encendido electrónicos, y también cuenta con más sensores de información que aportan sus datos para lograr la mejor calidad de mezcla y chispa.

Estos son algunos de estos controles e informaciones que modifican el tiempo de inyección y momento de chispa; bomba de gasolina eléctrica, acelerador electrónico (1), presión de gasolina, velocidad del automóvil, acumulador del vapor de gasolina (2), presión de sobrealimentación (3), distribución de fase variable y colector de admisión de geometría variable (4) entre otras.

(1) Cuando más contamina el motor es en aceleraciones transitorias, para reducir sus efectos se hace que la mariposa se mueva mediante un motor eléctrico que suaviza sus desplazamientos. Se ve en el capítulo 3.12.1. Evolución de la alimentación de gasolina. 

(2) Acumula los vapores de gasolina que se producen en el interior del depósito de combustible para enviarlos al motor en aceleraciones, evitando que estos gases contaminantes salgan al exterior. Se ve en el capítulo 3.12.1. Evolución de la alimentación de gasolina. 

(3) Con la sobrealimentación se llenan a presión los cilindros mejorando ostensiblemente el rendimiento del motor. Se trata la sobrealimentación en los módulos 1.15 (dos capítulos), 2.15 y 3.15 (un capítulo cada uno).

(4) Con estas dos tecnologías se logra que la curva de par motor sea más plana, mejorando la respuesta del motor desde bajas RPM. Se explica en el capítulo 2.14.1. Compensación del llenado en motores multiválvulas.

Inyección multipunto secuencial

Continuamos las explicaciones con la imagen de base de un motor de cuatro cilindros en línea y distribución OHC visto de lado.

Estos son los elementos de inyección y encendido electrónicos y su actuación:

  • Hay un inyector para cada cilindro en la entrada de sus respectivos colectores de admisión, es la inyección multipunto (durante el paso del carburador a la inyección hubo motores con un inyector y también dos para motores de varios cilindros)
  • Llegada de gasolina a los inyectores a través del filtro de gasolina a presión por la bomba eléctrica
  • Control electrónico de los inyectores desde el calculador
  • Distribuidor de encendido cuyo eje gira movido por el motor; su función es repartir la chispa entre las bujías
  • Tiene una entrada central y tantas salidas como bujías
  • Llegada de alta tensión desde la bobina a la entrada central del distribuidor, bajo esta entrada está el rotor (“pipa”) en el eje del distribuidor que gira por el arrastre del motor
  • El distribuidor está comunicado electrónicamente con el calculador
  • Cables de alta tensión desde las salidas del distribuidor a cada bujía respetando el orden de encendido del motor, es la secuencia de actuación de cilindros y en un motor de cuatro cilindros como el representado es 1–3–4–2 o 1–2–4–3 para lograr el funcionamiento más uniforme y equilibrado posible
  • Funcionamiento del motor:
    • Se ve la aportación de gasolina de los inyectores, pueden actuar todos a la vez, inyección simultánea, o cada uno independientemente, inyección secuencial que es la representada. Después se explica con más detalle la diferencia
    • En el interior del distribuidor el rotor gira repartiendo la alta tensión entre las bujías, el orden de encendido de este motor es 1–3–4–2

Como se ha explicado el calculador de I + E recibe las informaciones necesarias para sus funciones, las más importantes que ya se han comentado son; RPM, caudal y presión de admisión, temperatura del motor y del aire de admisión, aceleración y posición de los pistones.

Con estas informaciones se determinan los tiempos de actuación de los inyectores y del momento de chispa en cada bujía.

Cuanto mayor sea la precisión del control de la inyección y el encendido mejor será el rendimiento y contaminación del motor.

El sistema de encendido que controla la gestión de chispa y además la produce en función de las RPM y llenado del motor es el encendido electrónico integral.

Ha habido otros sistemas que solamente gobernaban la gestión de chispa, es el encendido electrónico.

Se explica en el capítulo 3.12.1. Evolución de la alimentación de gasolina.

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Inyección multipunto simultánea

Vemos un motor de cuatro cilindros en línea con inyección electrónica multipunto:

  • El control de los inyectores es común para los cuatro desde el calculador de I + E
  • Funcionamiento del motor:
    • Todos los inyectores actúan a la vez durante el mismo tiempo
    • La gasolina se va homogeneizando por las turbulencias en el colector de admisión antes de entrar en los cilindros
  • Se representa esta inyección en un detalle, es la inyección multipunto simultánea; actúan conjuntamente todos los inyectores
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