Sistemas de inyección de alta presión
Desde hace décadas se sabe que las presiones de inyección más altas se pueden utilizar para mejorar los procesos de combustión en los motores diésel, lo que conlleva un aumento de la eficiencia y una reducción de las emisiones. En el pasado, con inyectores unitarios, en los que la bomba de inyección está integrada en el inyector en lugar de ser una unidad independiente, se han alcanzado presiones superiores a 20.000 psi (1.430 bar).
Inyector unitario
Tradicionalmente, la bomba de inyección ha sido accionada por un árbol de levas, al igual que en una bomba de inyección en línea, por lo que la sincronización de la inyección está vinculada a la rotación del cigüeñal. Además de poder generar presiones de inyección excepcionalmente altas, el fallo de un inyector individual no afecta al resto. Los fallos son específicos de cada cilindro.
Inyección unitaria electrónica hidráulica (HEUI en inglés).
Más recientemente, la inyección unitaria se ha combinado con un cierto grado de control electrónico del proceso de inyección en lo que se denomina inyector electrónico unitario (EUI en inglés). La bomba de inyección de un EUI sigue siendo accionada por un árbol de levas, de forma similar a una bomba en línea. La presión de inyección se genera mecánicamente. Está vinculada a la rotación del cigüeñal de manera muy similar a como lo está en una bomba de inyección convencional.
Inyección unitaria electrónica hidráulica (HEUI en inglés).
Y luego tenemos la inyección unitaria electrónica hidráulica (HEUI). La bomba de inyección de un sistema HEUI funciona por presión de aceite. Esto rompe la conexión mecánica entre el cigüeñal y la bomba de inyección, lo que permite un mayor control sobre el proceso de inyección. Por ejemplo, se puede adelantar o retrasar el momento de la inyección independientemente del cigüeñal.
Los sistemas EUI y HEUI nunca se han utilizado en motores de menos de 100 kW o 134 caballos de potencia. Se encuentran en motores de mayor cilindrada en motoras o trawlers construidos en las últimas tres décadas. Si dispone de un sistema de este tipo, consulte el manual para conocer los requisitos de mantenimiento específicos. Dado que no son muy comunes, no vamos a abordar aquí los detalles de estos sistemas y, en general, dejamos además el mantenimiento de los sistemas de inyección a alta presión en manos de profesionales.
Sistemas Common Rail (de raíl común)
Hasta la entrada en vigor de la norma Tier 3, todos los motores diésel marinos de menor cilindrada contaban con sistemas de inyección convencionales. Con la norma Tier 3, algunos han adoptado un sistema conocido como « common rail de alta presión» (HPCR) o, simplemente, «common rail» (CR). Yanmar utiliza la tecnología CR en prácticamente todos sus motores. El sistema CR ha sustituido a los sistemas HEUI y EUI en aquellos motores que los utilizaban anteriormente.
Un sistema common rail cuenta con una bomba de combustible con una presión de salida que oscila entre los 25.000 psi (1.785 bar) y los 40.000 psi (2.850 bar), y estas presiones aumentan con cada nueva generación de estos sistemas. El combustible se bombea a un conducto (el common rail) que se mantiene continuamente a esta presión mientras el motor está en marcha. El conducto cuenta con una válvula de alivio de presión que mantiene la presión del sistema, purgando el exceso de combustible y devolviéndolo al depósito, a menudo a través de un enfriador de combustible el cual, si está presente, debe identificarse, ya que puede requerir mantenimiento.
Sección transversal de un inyector de common rail (Foto: L.Kenzel, Chris828 / Wikipedia)
Hay un tubo que va desde el common rail hasta cada inyector, por lo que, a diferencia de un sistema de inyección convencional, los inyectores están ahora presurizados en todo momento a la presión máxima del sistema. Una unidad de control electrónico (ECU) situada en el motor envía, en el momento adecuado para la inyección de combustible, una señal a un dispositivo eléctrico que levanta de su asiento una válvula de aguja dentro del inyector. Esto permite que el combustible entre en el cilindro.
Casi todos los inyectores de common rail utilizan cristales piezoeléctricos. Estos se expanden minúsculamente cuando se los somete a un voltaje. Los cristales se apilan para lograr el movimiento suficiente que active la inyección. El conjunto de obleas de cristal responde a la excitación en tan solo milisegundos. Esto permite múltiples pulsos de inyección en un solo evento de inyección.
El sistema CR genera la presión máxima del sistema desde el ralentí, a diferencia de todos los demás sistemas de inyección —incluidos otros sistemas de inyección de alta presión—, que, en mayor o menor medida, generan la presión de inyección en función del régimen del motor. La alta presión del sistema CR constituye la base para conseguir, a bajos regímenes del motor, una mejor mezcla de combustible y aire.
Comparación de la presión en los inyectores. El sistema common rail funciona siempre a presión máxima, independientemente del régimen del motor.
La otra ventaja importante de un sistema CR es la separación entre la generación de la presión y la inyección. Esto permite un alto grado de control sobre la sincronización de la inyección, de modo que pueden incluso efectuarse múltiples impulsos de inyección en un solo ciclo de explosión. Es habitual que haya un pulso de preinyección, un pulso de inyección principal y un pulso de postinyección. Puede haber hasta siete impulsos. En lugar de producirse una única explosión al inyectar el diésel, se produce una combustión prolongada que da lugar a un funcionamiento del motor mucho más suave. Esto se nota en los coches diésel modernos, que funcionan al ralentí con la misma suavidad que los de gasolina, en comparación con los coches diésel más antiguos, que «traquetean» al ralentí. Numerosos sensores del motor controlan los niveles de oxígeno, los gases de escape, las temperaturas de los cilindros y otros parámetros similares para garantizar un rendimiento óptimo y unas emisiones mínimas.
En el lado negativo, debido a las presiones extraordinariamente altas que se dan en un sistema CR, el agua y el combustible contaminado pueden destruir rápidamente la bomba de alta presión de un sistema common rail. Las partículas metálicas desprendidas por la bomba destruirán a su vez rápidamente todo el sistema de inyección. Esto no tendrá reparación y será necesario sustituirlo. ¡Puede llegar a costar tanto como un motor nuevo! Es esencial prestar aquí una especial atención a la limpieza del combustible. Abordamos los procesos necesarios en detalle en otra lección.
Aparte de la energía eléctrica necesaria para arrancar el motor, en principio un motor diésel de inyección convencional no requiere electricidad para funcionar, aunque puede haber una bomba de combustible eléctrica que suministre combustible desde el depósito a la bomba de inyección, y quizás un dispositivo de apagado accionado eléctricamente (solenoide).
Dependencia de la energía eléctrica
Un motor CR cuenta con un conjunto de componentes electrónicos complejos sin los cuales no puede funcionar. Por tanto depende totalmente de un suministro eléctrico, normalmente con una tensión mínima superior a 8-9 voltios de corriente continua. Incluso una pérdida momentánea de tensión (como la que podría provocar, por ejemplo, el funcionamiento de un dispositivo de CC de alto consumo conectado a la misma batería) provocará que el motor se apague. Un rayo que dañe los componentes electrónicos provocará el paro del motor. Y una mala conexión en el mazo de cables puede también provocar que se apague.
Algunos inyectores controlados electrónicamente funcionan a tensiones lo suficientemente altas como para resultar peligrosas. A falta de una fuente de alimentación continua (por ejemplo, procedente de un alternador), el consumo de energía agotará la batería hasta que el sistema se apague por bajo voltaje.
Esta dependencia de la electricidad y de una fuente de alimentación eléctrica difiere considerablemente de la de un motor diésel de inyección convencional.
Las ventajas de la tecnología CR son un funcionamiento más suave, silencioso y eficiente, con menores emisiones y, en general, una fiabilidad extrema. El principal inconveniente es que cualquier problema eléctrico o electrónico puede dejar el motor inoperativo. Es casi seguro que el propietario no dispondrá de los conocimientos ni de las herramientas necesarias para volver a ponerlo en marcha. La embarcación quedará inmovilizada en el agua.
Control de un motor common rail
Al ordenador de un motor common rail se le conoce con diversos nombres, como unidad de control del motor (ECU) o sistema de gestión del motor (EMS). Regula la sincronización y el volumen de combustible, las revoluciones por minuto del motor, la presión de sobrealimentación del turbocompresor, etc. Recibe datos de una gran cantidad de sensores que pueden ser analógicos (el valor instantáneo varía con el tiempo; todos los indicadores tradicionales utilizan sensores analógicos) o digitales (los datos se convierten en una serie de estados «encendido» o «apagado»).
Las unidades de envío analógicas contienen una resistencia elevada que varía en función de lo que se esté midiendo (temperatura, presión, etc.). Se suministra un voltaje (normalmente el voltaje de la batería) a la unidad de envío. Los cambios en la resistencia dan lugar entonces a cambios en el flujo de corriente a través de la resistencia (Ley de Ohm; véase nuestro curso Curso Boat Electrics 101), que se convierten en una lectura del indicador.
Los indicadores digitales utilizan diversas técnicas para registrar cualquier variación en lo que se está midiendo. Esta información puede convertirse en una señal digital en el sensor mediante un circuito integrado (IC), o bien puede enviarse una señal analógica a una unidad de conversión independiente. En cualquier caso, la señal digital se transmite a la ECU del motor a través de puertos de entrada/salida (E/S). Los sensores pueden tener dos, tres o cuatro cables.
La memoria de acceso aleatorio (RAM) almacena los datos temporales. La memoria de acceso aleatorio no volátil (NVRAM) almacena los datos cuando se corta la alimentación. Los códigos de diagnóstico de averías (DTC) se almacenan en la NVRAM. Las fórmulas y las rutinas de diagnóstico se almacenan en la memoria de solo lectura (ROM).
El sistema de control consume muy poca energía. Los circuitos que consumen mucha energía, como los inyectores, los turbocompresores de velocidad variable, las válvulas de descarga de los turbocompresores y, tal vez, los motores de los ventiladores, cuentan con circuitos independientes que les suministran la corriente necesaria.
Identificación de los sistemas common rail
Sistema common rail de un motor de seis cilindros (Foto: Bosch) mostrando la ECU (abajo a la izquierda), la bomba de alta presión (abajo a la derecha), el common rail (arriba a la derecha) y los inyectores (centro e izquierda).
¡En ningún momento debemos tocar ninguna parte de un sistema CR! Se trata de sistemas increíblemente sofisticados, que superan con creces los conocimientos de cualquier persona que no sea un técnico especialmente cualificado. Además, dado el elevado nivel de presión del sistema, si se afloja cualquier pieza del circuito de alta presión mientras está bajo presión (algo que sí haríamos en algunas operaciones de resolución de averías en un sistema de inyección convencional), el gasóleo saldrá a una presión lo suficientemente alta como para penetrar en la piel y provocar un envenenamiento instantáneo de la sangre. Puede arrancar la carne hasta el hueso. Tenga en cuenta que la presión se mantiene tras el apagado del motor durante un periodo de tiempo que puede variar desde tan solo 30 segundos hasta 5 minutos.
Ya hemos tenido uno o dos accidentes mortales. Como se ha señalado anteriormente, los inyectores piezoeléctricos requieren altos voltajes para funcionar. En algunos casos, lo suficientemente altos como para provocar electrocución.
FDe ello podemos extraer dos conclusiones fundamentales:
1. El propietario de una embarcación que tenga intención de realizar trabajos en su propio motor, debe saber si este cuenta con un sistema de inyección CR.
2. Si cuenta con un sistema de inyección CR, TOCAR EL SISTEMA CR ESTÁ ESTRICTAMENTE PROHIBIDO.
Algunos de estos sistemas CR tienen un aspecto similar al de un sistema de inyección convencional con bomba rotativa, por lo que es importante saber diferenciarlos. La clave está en el conducto común (common rail), el tubo al que se conectan todos los conductos de los inyectores individuales. Mientras que en una bomba de inyección rotativa los conductos de los inyectores se conectan a la parte superior o trasera de la bomba, en el sistema de common rail hay una bomba independiente y, a continuación, un conducto común al que se conectan todos los conductos de los inyectores. Sin embargo, el conducto del common rail puede estar oculto tras diversas cubiertas.
Si tiene un motor relativamente nuevo, especialmente uno de más de 100 CV, antes de tocar cualquier parte del sistema de inyección es esencial que averigüe si se trata o no de un motor common rail. Si lo es, ¡no debe tocar el sistema de inyección!
Bomba de inyección en línea de un motor de 6 cilindros
Conducto del common rail; la bomba de alta presión está a la izquierda
Conducto del common rail en un motor de 4 cilindros
Conducto del common rail al fondo; bomba de alta presión a la izquierda
Conducto del common rail
Resumen
Hemos reunido ya todos los elementos básicos que necesitamos para el resto del curso. Lo primero que debemos hacer es asegurarnos de que el motor de nuestra embarcación esté correctamente instalado. Lo veremos en el próximo módulo.