Sistemas de inyección convencionales

Sistemas de inyección convencionales

Los motores diésel marinos más antiguos, y también la mayoría de los motores modernos más pequeños (por debajo de ~100 hp/75kW) en nuestros barcos, con la notable excepción de algunos Yanmar nuevos, tienen lo que denominamos un sistema de inyección convencional (mecánica). Las presiones de inyección varían de 2.000 psi (libras por pulgada cuadrada) o 140 bares, a 15.000 psi o alrededor de 1.000 bares. Casi todos los Yanmar nuevos, y cada vez más lo veremos en otras marcas, tienen sistemas de inyección controlados electrónicamente (los cuales veremos en la última lección de este módulo).

En los sistemas de inyección convencionales, el combustible a baja presión se suministra desde un tanque, a través de varios filtros de combustible, a la bomba de inyección la cual eleva la presión del combustible hasta las presiones de inyección en el momento preciso en que se requiere la inyección. Dentro del inyector, esta alta presión levanta un émbolo de su asiento contra un potente resorte. Esto permite que el combustible entre en el sistema a través de diminutos orificios. Tan pronto como finaliza el impulso de inyección, el resorte empuja el émbolo de vuelta a su asiento.

Se necesita una presión muy elevada para poder levantar el émbolo de su asiento dentro del inyector. Una vez levantado, se necesita ya menos presión para mantenerlo en esa posición. Esto mantiene la inyección a medida que la presión se reduce hasta el momento en que la bomba de inyección corta el impulso de inyección.

Hay dos tipos de bombas de inyección convencionales: (1) la bomba en línea, que tiene un elemento de bombeo independiente para cada inyector (y cilindro) del motor, y (2) la bomba rotativa que tiene un único elemento de bombeo que suministra combustible a cada inyector por turnos. Ambas cumplen la misma función.

Con una bomba en línea, para generar la presión de inyección necesaria, el combustible se introduce primero dentro de un cilindro. Un pistón en el cilindro es entonces impulsado hacia arriba, comprimiendo el combustible. Hay una ranura helicoidal (curva) desde la parte superior del pistón hasta su lado y un puerto de derrame (básicamente, ¡un agujero!) en la pared del cilindro. Cuando la ranura helicoidal del pistón se alinea con el orificio en el cilindro, el combustible se escapa del cilindro, la presión desciende y el impulso de inyección finaliza, incluso aunque el pistón aún no haya alcanzado la parte superior de su carrera. Al girar el pistón en el cilindro, se puede variar el punto de la carrera del pistón en el que la ranura helicoidal se alinea con el puerto de derrame. Cuanto más tarde se produzca esta alineación, más combustible se inyectará; cuanto antes se produzca, menos combustible se inyectará. La velocidad y la potencia de un motor diésel se controlan mediante este proceso de rotación del pistón de la bomba de inyección. La palanca del acelerador de un motor diésel es la que hace girar el pistón. 

Las bombas rotativas tienen un mecanismo de control del acelerador diferente que logra el mismo resultado.

Las bombas de inyección en línea se pueden diferenciar de las rotativas por el hecho de que una bomba en línea tiene todos los tubos de inyección que alimentan combustible a cada inyector conectados en línea a la parte superior de la bomba, mientras que una bomba rotativa tiene esos tubos de inyección conectados en círculo (ya sea a la parte superior o al lateral de la bomba). Necesitamos ser capaces de identificar las bombas y los tubos de inyección, pero no vamos a desmontar ninguno de los dos tipos de bomba (esto es un trabajo estrictamente para profesionales), por lo que no necesitamos explorarlas más allá de identificar sus palancas de control, lo que haremos más adelante en este curso.

Dado que un motor diésel no tiene sistema de encendido, no se puede detener de la misma manera que un motor de gasolina. En algún lugar de la bomba de inyección (o en su interior) hay una palanca que se activa mediante el mecanismo de parada del motor. Esta palanca corta completamente el suministro de combustible, lo que pone fin a la combustión.

En los motores más antiguos, un cable conectado a una palanca de parada situada en el puesto de mando mueve la palanca de apagado. En los motores más nuevos, un solenoide activado eléctricamente (un tipo de interruptor accionado a distancia) mueve la palanca de apagado. En los motores diésel terrestres, el solenoide suele estar normalmente cerrado (NC), lo que significa que se necesita energía eléctrica para abrir el suministro de combustible y, por lo tanto, que un fallo en el circuito eléctrico cerrará el suministro de combustible y detendrá el motor. En casi todos los motores marinos, el solenoide está normalmente abierto (NA), lo que significa que se necesita energía eléctrica para cerrar el suministro de combustible y apagar el motor y, por lo tanto, que en caso de fallo de suministro eléctrico, el motor no se puede detener. En algún lugar de la bomba de inyección (lo veremos más adelante) hay una palanca que permite cortar manualmente el suministro de combustible y así detener el motor.

Inyección directa e indirecta

Existen dos configuraciones diferentes para inyectar el combustible diésel en un cilindro: inyección directa e indirecta.

Con la inyección directa, el inyector se coloca en la parte superior del cilindro, directamente sobre el pistón. Normalmente, cuando el pistón se encuentra en la parte superior de su carrera, casi toca la culata que tiene encima. El aire comprimido se encuentra principalmente en una cavidad en la corona del pistón. El combustible diésel se inyecta en esta cavidad. Se enciende, eleva la temperatura y, por lo tanto la presión, y el pistón es empujado de nuevo hacia abajo por el cilindro.

Con la inyección indirecta existe una segunda cámara pequeña, llamada cámara de precombustión, separada del cilindro y de la cavidad en la corona del pistón. Su volumen suele estar entre el 25 % y el 40 % del volumen total de la cámara de combustión. La cámara de precombustión está conectada al cilindro por una abertura relativamente estrecha. El combustible diésel se inyecta en la cámara de precombustión. Parte del combustible se enciende, lo que eleva la temperatura en la cámara de precombustión y, por lo tanto, la presión. Este aumento de presión impulsa el combustible y el aire restantes a través de la abertura hacia la cámara de combustión principal situada en la parte superior del pistón, donde el combustible sin quemar se mezcla con el aire y entonces se quema.

Una cámara de precombustión ofrece la posibilidad de añadir una bujía de incandescencia o calentador: El elemento calefactor que ya hemos mencionado y que se utiliza para calentar el aire de la cámara de precombustión antes de arrancar el motor. Este calentamiento permite utilizar relaciones de compresión más bajas que con la inyección directa (se necesita menos compresión para que el aire alcance la temperatura de ignición). La turbulencia que se produce al impulsar el combustible a través de la abertura entre la cámara de precombustión y la cámara de combustión principal mezcla el combustible sin quemar con el aire de la cámara de combustión principal. Esto reduce el nivel de atomización necesario durante el proceso de inyección y, por lo tanto, el nivel de presión que debe ejercer la bomba de inyección. La combinación de menores presiones en el cilindro y en la inyección da como resultado sistemas de inyección que toleran mejor un suministro deficiente de combustible que los sistemas de inyección directa. En general, los motores con inyección indirecta son ligeramente menos eficientes y producen más emisiones que los de inyección directa. La mayoría de los motores diésel modernos de inyección convencional tienen inyección directa.

Independientemente de si tiene inyección directa o indirecta, vamos a disuadirle de trabajar en los inyectores, por lo tanto esto es todo lo que necesitamos saber sobre estos componentes. Lo único sobre lo que queremos llamar su atención es sobre las bujías de incandescencia o calentadores asociadas a la inyección indirecta. Necesita saber si las tiene. Volveremos a ello más adelante.