Inyección directa de gasolina - Gasoline direct injection

Motor GDI de un automóvil BMW (el inyector de combustible se encuentra sobre el triángulo rojo)

La inyección directa de gasolina ( GDI ), también conocida como inyección directa de gasolina ( PDI ), es un sistema de formación de mezcla para motores de combustión interna que funcionan con gasolina (gasolina), donde se inyecta combustible en la cámara de combustión . Esto es distinto de los sistemas de inyección de combustible múltiple , que inyectan combustible en el múltiple de admisión.

El uso de GDI puede ayudar a aumentar la eficiencia del motor y la potencia específica, así como a reducir las emisiones de escape.

El primer motor GDI en llegar a producción se introdujo en 1925 para un motor de camión de baja compresión. Varios automóviles alemanes utilizaron un sistema GDI mecánico de Bosch en la década de 1950, sin embargo, el uso de la tecnología siguió siendo raro hasta que Mitsubishi introdujo un sistema GDI electrónico en 1996 para automóviles producidos en serie. GDI ha experimentado una rápida adopción por parte de la industria automotriz en los últimos años, aumentando en los Estados Unidos del 2,3% de la producción para los vehículos modelo del año 2008 a aproximadamente el 50% para el modelo del año 2016.

Principio de operación

Modos de carga

El 'modo de carga' de un motor de inyección directa se refiere a cómo se distribuye el combustible por la cámara de combustión:

  • El 'modo de carga homogéneo' hace que el combustible se mezcle uniformemente con el aire en toda la cámara de combustión, según la inyección del colector.
  • El modo de carga estratificada tiene una zona con una mayor densidad de combustible alrededor de la bujía y una mezcla más pobre (menor densidad de combustible) más alejada de la bujía.

Modo de carga homogéneo

En el modo de carga homogénea , el motor funciona con una mezcla de aire / combustible homogénea ( ), lo que significa que hay una mezcla (casi perfecta) de combustible y aire en el cilindro. El combustible se inyecta al comienzo de la carrera de admisión para que el combustible inyectado tenga más tiempo para mezclarse con el aire, de modo que se forme una mezcla homogénea de aire / combustible. Este modo permite utilizar un catalizador convencional de tres vías para el tratamiento de los gases de escape.

En comparación con la inyección múltiple, la eficiencia del combustible solo aumenta muy ligeramente, pero la potencia específica es mejor, por lo que el modo homogéneo es útil para la denominada reducción del motor . La mayoría de los motores de gasolina de los turismos con inyección directa utilizan el modo de carga homogéneo.

Modo de carga estratificada

El modo de carga estratificada crea una pequeña zona de mezcla de aire / combustible alrededor de la bujía, que está rodeada de aire en el resto del cilindro. Esto da como resultado que se inyecte menos combustible en el cilindro, lo que conduce a relaciones generales de aire-combustible muy altas , con relaciones medias de aire-combustible de a carga media y a plena carga. Idealmente, la válvula de mariposa permanece abierta tanto como sea posible para evitar pérdidas por estrangulamiento. Luego, el par se establece únicamente mediante un control de par de calidad, lo que significa que solo se manipula la cantidad de combustible inyectado, pero no la cantidad de aire de admisión, para establecer el par del motor. El modo de carga estratificada también mantiene la llama alejada de las paredes del cilindro, reduciendo las pérdidas térmicas.

Dado que las mezclas demasiado pobres no se pueden encender con una bujía (debido a la falta de combustible), la carga debe estratificarse (por ejemplo, se debe crear una pequeña zona de mezcla de combustible / aire alrededor de la bujía). Para lograr tal carga, un motor de carga estratificada inyecta el combustible durante las últimas etapas de la carrera de compresión. Una "cavidad de remolino" en la parte superior del pistón se usa a menudo para dirigir el combustible hacia la zona que rodea la bujía . Esta técnica permite el uso de mezclas ultrafinas que serían imposibles con carburadores o inyección de combustible por colector convencional.

El modo de carga estratificada (también llamado modo de "combustión ultra pobre") se utiliza con cargas bajas para reducir el consumo de combustible y las emisiones de escape. Sin embargo, el modo de carga estratificada está deshabilitado para cargas más altas, con el motor cambiando al modo homogéneo con una relación estequiométrica aire-combustible de para cargas moderadas y una relación aire-combustible más rica para cargas más altas.

En teoría, un modo de carga estratificada puede mejorar aún más la eficiencia del combustible y reducir las emisiones de escape; sin embargo, en la práctica, el concepto de carga estratificada no ha demostrado tener ventajas de eficiencia significativas sobre un concepto de carga homogénea convencional, pero debido a su inherente combustión pobre, más Se forman óxidos de nitrógeno , que a veces requieren un adsorbedor de NOx en el sistema de escape para cumplir con las regulaciones de emisiones. El uso de adsorbedores de NOx puede requerir combustibles con bajo contenido de azufre, ya que el azufre evita que los adsorbedores de NOx funcionen correctamente. Los motores GDI con inyección de combustible estratificada también pueden producir mayores cantidades de material particulado que los motores de inyección múltiple, lo que a veces requiere filtros de partículas en el escape (similar a un filtro de partículas diésel ) para cumplir con las regulaciones de emisiones de vehículos. Por lo tanto, varios fabricantes de automóviles europeos han abandonado el concepto de carga estratificada o nunca lo usaron en primer lugar, como el motor de gasolina Renault 2.0 IDE 2000 ( F5R ), que nunca llegó con un modo de carga estratificada, o el BMW N55 de 2009 y el Mercedes de 2017. -Los motores Benz M256 abandonan el modo de carga estratificada utilizado por sus predecesores. El Grupo Volkswagen había utilizado inyección estratificada de combustible en motores de aspiración natural etiquetados como FSI , sin embargo, estos motores recibieron una actualización de la unidad de control del motor para desactivar el modo de carga estratificada. Los motores Volkswagen turboalimentados etiquetados como TFSI y TSI siempre han utilizado el modo homogéneo. Al igual que los últimos motores VW, los motores de gasolina de inyección directa más nuevos (a partir de 2017) también suelen utilizar el modo de carga homogéneo más convencional, junto con la sincronización variable de válvulas, para obtener una buena eficiencia. Los conceptos de carga estratificada se han abandonado en su mayoría.

Modos de inyección

Las técnicas comunes para la creación de la distribución deseada de combustible en toda la cámara de combustión son o bien por pulverización-guiados , guiados por aire , o en la pared guiados inyección. La tendencia en los últimos años es hacia la inyección guiada por aspersión, ya que actualmente da como resultado una mayor eficiencia de combustible.

Inyección directa guiada por la pared

Cavidad de remolino en la parte superior de un pistón en el motor Ford EcoBoost 3.5 L 2010-2017

En motores con inyección guiada por pared, la distancia entre la bujía y la boquilla de inyección es relativamente alta. Para acercar el combustible a la bujía, se rocía contra una cavidad de remolino en la parte superior del pistón (como se ve en la imagen del motor Ford EcoBoost a la derecha), que guía el combustible hacia la bujía. Los orificios especiales de entrada de aire giratorios o giratorios ayudan en este proceso. La sincronización de la inyección depende de la velocidad del pistón, por lo tanto, a velocidades de pistón más altas, la sincronización de la inyección y la sincronización del encendido deben avanzar con mucha precisión. A bajas temperaturas del motor, algunas partes del combustible en el pistón relativamente frío se enfrían tanto que no pueden quemarse adecuadamente. Al cambiar de una carga de motor baja a una carga de motor media (y así avanzar la sincronización de la inyección), algunas partes del combustible pueden terminar inyectadas detrás de la cavidad del remolino, lo que también da como resultado una combustión incompleta. Por tanto, los motores con inyección directa guiada por pared pueden sufrir altas emisiones de hidrocarburos .

Inyección directa guiada por aire

Al igual que en los motores con inyección guiada por pared, en los motores con inyección guiada por aire, la distancia entre la bujía y la boquilla de inyección es relativamente alta. Sin embargo, a diferencia de los motores de inyección guiados por la pared, el combustible no entra en contacto con las partes (relativamente) frías del motor, como la pared del cilindro y el pistón. En lugar de rociar el combustible contra una cavidad de turbulencia, en los motores de inyección guiados por aire, el combustible es guiado hacia la bujía únicamente por el aire de admisión. Por lo tanto, el aire de admisión debe tener un movimiento especial de giro o volteo para dirigir el combustible hacia la bujía. Este movimiento de remolino o caída debe retenerse durante un período de tiempo relativamente largo, de modo que todo el combustible sea empujado hacia la bujía. Sin embargo, esto reduce la eficiencia de carga del motor y, por lo tanto, la potencia de salida. En la práctica, se utiliza una combinación de inyección guiada por aire y guiada por pared. Existe un solo motor que solo se basa en la inyección guiada por aire.

Inyección directa guiada por pulverización

En motores con inyección directa guiada por pulverización, la distancia entre la bujía y la boquilla de inyección es relativamente baja. Tanto la boquilla de inyección como la bujía están ubicadas entre las válvulas del cilindro. El combustible se inyecta durante las últimas etapas de la carrera de compresión, lo que provoca una formación de mezcla muy rápida (y no homogénea). Esto da como resultado grandes gradientes de estratificación del combustible, lo que significa que hay una nube de combustible con una proporción de aire muy baja en su centro y una proporción de aire muy alta en sus bordes. El combustible solo se puede encender entre estas dos "zonas". El encendido tiene lugar casi inmediatamente después de la inyección para aumentar la eficiencia del motor. La bujía debe colocarse de tal manera que esté exactamente en la zona donde la mezcla es inflamable. Esto significa que las tolerancias de producción deben ser muy bajas, porque solo una pequeña desalineación puede resultar en una disminución drástica de la combustión. Además, el combustible enfría la bujía inmediatamente antes de que se exponga al calor de combustión. Por lo tanto, la bujía debe poder resistir muy bien los choques térmicos. A velocidades bajas del pistón (y del motor), la velocidad relativa del aire / combustible es baja, lo que puede hacer que el combustible no se vaporice correctamente, lo que da como resultado una mezcla muy rica. Las mezclas ricas no se queman adecuadamente y provocan la acumulación de carbón. A altas velocidades del pistón, el combustible se esparce más dentro del cilindro, lo que puede alejar las partes inflamables de la mezcla tan lejos de la bujía que ya no puede encender la mezcla de aire / combustible.

Tecnologías complementarias

Otros dispositivos que se utilizan para complementar GDI en la creación de una carga estratificada incluyen sincronización variable de válvula , elevación variable de válvulas , y variable de colector de admisión de longitud . Además, la recirculación de gases de escape se puede utilizar para reducir las altas emisiones de óxido de nitrógeno (NOx) que pueden resultar de la combustión ultra pobre.

Desventajas

La inyección directa de gasolina no tiene la acción de limpieza de la válvula que se proporciona cuando se introduce combustible en el motor antes del cilindro. En los motores que no son GDI, la gasolina que viaja a través del puerto de admisión actúa como un agente de limpieza para la contaminación, como el aceite atomizado. La falta de una acción de limpieza puede provocar un aumento de los depósitos de carbón en los motores GDI. Los fabricantes de terceros venden tanques de captura de petróleo que se supone que previenen o reducen esos depósitos de carbono.

La capacidad de producir potencia máxima a altas velocidades del motor (RPM) es más limitada para GDI, ya que hay un período de tiempo más corto disponible para inyectar la cantidad requerida de combustible. En la inyección múltiple (así como en los carburadores y la inyección de combustible del cuerpo del acelerador), se puede agregar combustible a la mezcla de aire de admisión en cualquier momento. Sin embargo, un motor GDI se limita a inyectar combustible durante las fases de admisión y compresión. Esto se convierte en una restricción a altas velocidades del motor (RPM), cuando la duración de cada ciclo de combustión es más corta. Para superar esta limitación, algunos motores GDI (como los motores Toyota 2GR-FSE V6 y Volkswagen EA888 I4 ) también tienen un conjunto de inyectores de combustible múltiples para proporcionar combustible adicional a altas RPM. Estos inyectores de combustible múltiples también ayudan a limpiar los depósitos de carbón del sistema de admisión.

La gasolina no proporciona el mismo nivel de lubricación para los componentes del inyector que el diesel, lo que a veces se convierte en un factor limitante en las presiones de inyección utilizadas por los motores GDI. La presión de inyección de un motor GDI se limita típicamente a aproximadamente 20 MPa (2,9 ksi), para evitar un desgaste excesivo de los inyectores.

Impactos adversos sobre el clima y la salud

Si bien a esta tecnología se le atribuye el aumento de la eficiencia del combustible y la reducción de las emisiones de CO 2 , los motores GDI producen más aerosoles de carbono negro que los motores de inyección de combustible de puerto tradicionales. El carbono negro, un fuerte absorbedor de la radiación solar, posee importantes propiedades de calentamiento del clima.

En un estudio publicado en enero de 2020 en la revista Environmental Science and Technology , un equipo de investigadores de la Universidad de Georgia (EE. UU.) Predijo que el aumento de las emisiones de carbono negro de los vehículos impulsados ​​por GDI aumentará el calentamiento climático en las áreas urbanas de EE. UU. en una cantidad que excede significativamente el enfriamiento asociado con una reducción de CO 2 . Los investigadores también creen que el cambio de los motores tradicionales de inyección de combustible en puerto (PFI) al uso de la tecnología GDI casi duplicará la tasa de mortalidad prematura asociada con las emisiones de los vehículos, de 855 muertes anuales en los Estados Unidos a 1.599. Calculan el costo social anual de estas muertes prematuras en $ 5.95 mil millones.

Historia

1911-1912

Uno de los primeros inventores que probaron la inyección directa de gasolina fue el Dr. Archibald Low, quien le dio a su motor el engañoso título de Motor de inducción forzada, mientras que lo único que se forzaba era la admisión del combustible. Reveló los detalles de su motor prototipo a principios de 1912, y el diseño fue desarrollado por el fabricante de motores a gran escala FE Baker Ltd durante 1912 y los resultados se mostraron en su stand en la feria Olympia Motor Cycle en noviembre de 1912. El motor era muy alto. motor de motocicleta de cuatro tiempos de compresión, con el combustible de gasolina presurizado por separado a 1000 psi y admitido en el cilindro 'en el momento de mayor compresión' por una pequeña válvula giratoria, con encendido simultáneo por una bujía y una bobina de vibración que permite que continúen las chispas durante todo el proceso. fase de combustión. El combustible que se inyecta se describió como en fase de vapor después de haber sido calentado por el cilindro del motor. La presión del combustible se reguló en la bomba de combustible y la cantidad de combustible admitida se controló por medios mecánicos en la válvula de admisión giratoria. Parece que FE Baker no llevó más lejos este diseño radical.

1916-1938

Aunque la inyección directa solo se ha utilizado comúnmente en motores de gasolina desde 2000, los motores diésel han utilizado combustible inyectado directamente en la cámara de combustión (o una cámara de precombustión) desde el primer prototipo exitoso en 1894.

Un primer prototipo de un motor GDI se construyó en Alemania en 1916 para el avión Junkers . El motor fue diseñado inicialmente como un motor diesel, sin embargo, pasó a estar diseñado para gasolina cuando el ministerio de guerra alemán decretó que los motores de los aviones deben funcionar con gasolina o benceno. Al ser un diseño de dos tiempos de compresión del cárter , una falla de encendido podría destruir el motor, por lo que Junkers desarrolló un sistema GDI para evitar este problema. Se realizó una demostración de este prototipo de motor a los funcionarios de aviación poco antes de que cesara el desarrollo debido al final de la Primera Guerra Mundial.

El primer motor de inyección directa que usó gasolina (entre otros combustibles) para alcanzar la producción fue el motor Hesselman de 1925-1947 que se construyó en Suecia para camiones y autobuses. Como híbrido entre un ciclo Otto y un motor de ciclo diesel , podría funcionar con una variedad de combustibles, incluidos gasolina y fuelóleos. Los motores Hesselman utilizaron el principio de combustión ultra pobre e inyectaron el combustible al final de la carrera de compresión y luego lo encendieron con una bujía. Debido a su baja relación de compresión, el motor Hesselman podía funcionar con fuelóleos pesados ​​más baratos; sin embargo, la combustión incompleta generaba grandes cantidades de humo.

1939-1995

Durante la Segunda Guerra Mundial, la mayoría de los motores de aviones alemanes utilizaron GDI, como el motor radial BMW 801, los motores alemanes V12 Daimler-Benz DB 601 , DB 603 y DB 605 invertidos , y los Junkers Jumo 210G , Jumo 211 de diseño similar . y motores V12 invertidos Jumo 213 . Los motores de aviones aliados que utilizaban sistemas de inyección de combustible GDI eran el motor radial Shvetsov ASh-82FNV de la Unión Soviética y el motor radial estadounidense de 54,9 litros Wright R-3350 Duplex Cyclone de 18 cilindros.

La empresa alemana Bosch había estado desarrollando un sistema GDI mecánico para automóviles desde la década de 1930 y en 1952 se introdujo en los motores de dos tiempos del Goliath GP700 y el Gutbrod Superior . Este sistema era básicamente una bomba de inyección directa diésel de alta presión con una válvula de mariposa de admisión configurada. Estos motores ofrecían un buen rendimiento y consumían hasta un 30% menos de combustible que la versión con carburador, principalmente con cargas bajas del motor. Un beneficio adicional del sistema era tener un tanque separado para el aceite del motor que se agregaba automáticamente a la mezcla de combustible, lo que evitaba la necesidad de que los propietarios mezclaran su propia mezcla de combustible de dos tiempos. El Mercedes-Benz 300SL de 1955 también utilizó uno de los primeros sistemas mecánicos GDI de Bosch, por lo que se convirtió en el primer motor de cuatro tiempos en utilizar GDI. Hasta mediados de la década de 2010, la mayoría de los automóviles con inyección de combustible usaban inyección múltiple, por lo que era bastante inusual que estos primeros automóviles usaran un sistema GDI posiblemente más avanzado.

Durante la década de 1970, los fabricantes estadounidenses American Motors Corporation y Ford desarrollaron prototipos de sistemas mecánicos GDI llamados Straticharge y Programmed Combustion (PROCO), respectivamente. Ninguno de estos sistemas alcanzó la producción.

1996-presente

El Mitsubishi Galant del mercado japonés de 1996 fue el primer automóvil producido en serie en utilizar un motor GDI, cuando se introdujo una versión GDI del motor Mitsubishi 4G93 de cuatro en línea. Posteriormente fue traído a Europa en 1997 en el Carisma . También desarrolló el primer motor GDI de seis cilindros, el motor Mitsubishi 6G74 V6, en 1997. Mitsubishi aplicó esta tecnología ampliamente, produciendo más de un millón de motores GDI en cuatro familias en 2001. Aunque estuvo en uso durante muchos años, el 11 de septiembre de 2001 MMC reclamó una marca registrada para el acrónimo 'GDI'. Varios otros fabricantes japoneses y europeos introdujeron motores GDI en los años siguientes. La tecnología Mitsubishi GDI también fue autorizada por Peugeot, Citroën, Hyundai, Volvo y Volkswagen.

El motor Toyota 2GR-FSE V6 2005 fue el primero en combinar inyección directa e indirecta. El sistema (llamado "D4-S") usa dos inyectores de combustible por cilindro: un inyector de combustible múltiple tradicional (baja presión) y un inyector de combustible directo (alta presión) y se usa en la mayoría de los motores Toyota.

En las carreras de Fórmula Uno, la inyección directa se hizo obligatoria para la temporada 2014 , con la regulación 5.10.2 que establece: "Solo puede haber un inyector directo por cilindro y no se permiten inyectores aguas arriba de las válvulas de admisión o aguas abajo de las válvulas de escape".

En motores de dos tiempos

Hay beneficios adicionales de GDI para motores de dos tiempos , relacionados con la eliminación de los gases de escape y la lubricación del cárter.

El aspecto de barrido es que la mayoría de los motores de dos tiempos tienen las válvulas de admisión y escape abiertas durante la carrera de escape, con el fin de mejorar la descarga de los gases de escape del cilindro. Esto da como resultado que parte de la mezcla de combustible / aire ingrese al cilindro y luego salga del cilindro, sin quemarse, a través del puerto de escape. Con la inyección directa, solo sale aire (y generalmente algo de aceite) del cárter y no se inyecta combustible hasta que el pistón sube y todos los puertos están cerrados.

La lubricación del cárter se logra en los motores GDI de dos tiempos inyectando aceite en el cárter, lo que resulta en un menor consumo de aceite que el método anterior de inyectar aceite mezclado con combustible en el cárter.

Se utilizan dos tipos de GDI en dos tiempos: asistido por aire de baja presión y de alta presión. Los sistemas de baja presión, como se usan en el scooter motor Aprilia SR50 de 1992, utilizan un compresor de aire accionado por cigüeñal para inyectar aire en la culata de cilindros. Luego, un inyector de baja presión rocía combustible en la cámara de combustión, donde se vaporiza al mezclarse con el aire comprimido. Un sistema GDI de alta presión fue desarrollado por la empresa alemana Ficht GmbH en la década de 1990 e introducido para motores marinos por Outboard Marine Corporation (OMC) en 1997, con el fin de cumplir con las regulaciones de emisiones más estrictas. Sin embargo, los motores tenían problemas de confiabilidad y OMC se declaró en bancarrota en diciembre de 2000. El Evinrude E-Tec es una versión mejorada del sistema Ficht, que se lanzó en 2003 y ganó un premio EPA Clean Air Excellence Award en 2004.

En 2018, la KTM 300 EXC TPI , KTM 250 EXC TPI, Husqvarna TE250i y Husqvarna 300i se convirtieron en las primeras motocicletas de dos tiempos en utilizar GDI.

Envirofit International , una organización estadounidense sin fines de lucro, ha desarrollado kits de actualización de inyección directa para motocicletas de dos tiempos (utilizando tecnología desarrollada por Orbital Corporation Limited ) en un proyecto para reducir la contaminación del aire en el sudeste asiático. Los 100 millones de taxis y motocicletas de dos tiempos en el sudeste asiático son una de las principales causas de contaminación para la región.

Ver también

Referencias