Injecció de combustible en motors de gasolina. Avantatges, inconvenients i possibles problemes

El tipus de sistema d'injecció determina els paràmetres del motor i els costos operatius. Afecta la dinàmica, el consum de combustible, les emissions d'escapament i els costos de manteniment del cotxe.

La història de l'aplicació pràctica de la injecció de gasolina en un motor de combustió interna en el transport es remunta al període anterior a la Primera Guerra Mundial. Fins i tot llavors, l'aviació buscava amb urgència noves solucions que poguessin millorar l'eficiència dels motors i superar els problemes de potència en diverses posicions de l'avió. La injecció de combustible, que va aparèixer per primera vegada al motor d'avió V8 francès de 1903, va resultar útil. No va ser fins al 1930 que va debutar el Mercedes 1951 SL d'injecció de combustible, àmpliament considerat com un precursor en el camp. Tanmateix, en la versió esportiva, va ser el primer cotxe amb injecció directa de gasolina.

La injecció electrònica de combustible es va utilitzar per primera vegada al 300 en un motor Chrysler de 1958. La injecció de gasolina multipunt va començar a aparèixer als cotxes a la dècada de 1981, però es va utilitzar sobretot en models de luxe. Les bombes elèctriques d'alta pressió ja estaven utilitzades per garantir una pressió adequada, però el control continuava sent responsabilitat dels mecànics, que només es van esvair en l'oblit el 600 amb la fi de la producció del Mercedes XNUMX. Els sistemes d'injecció encara eren cars i no van canviar a cotxes barats i populars. Però quan es va fer necessari als XNUMXs instal·lar convertidors catalítics a tots els cotxes, independentment de la seva classe, es va haver de desenvolupar un tipus d'injecció més barat.

La presència d'un catalitzador requeria un control més precís de la composició de la mescla del que podien proporcionar els carburadors. Així es va crear la injecció d'un sol punt, una versió escassa de "multipunt", però suficient per a les necessitats dels cotxes barats. Des de finals dels noranta, va començar a desaparèixer del mercat, substituït per les injectores multipunt, que actualment són el sistema de combustible més popular en els motors d'automoció. El 1996, la injecció directa de combustible va fer el seu debut estàndard al Mitsubishi Carisma. La nova tecnologia necessitava una millora seriosa i al principi va trobar pocs seguidors.

No obstant això, davant les normes de gas d'escapament cada cop més estrictes, que des del principi van tenir una forta influència en el progrés dels sistemes de combustible d'automoció, els dissenyadors van haver de passar finalment a la injecció directa de gasolina. En les últimes solucions, fins ara poques en nombre, combinen dos tipus d'injecció de gasolina: indirecta multipunt i directa.    

Injecció indirecta d'un sol punt

En els sistemes d'injecció d'un sol punt, el motor és accionat per un únic injector. S'instal·la a l'entrada del col·lector d'admissió. El combustible es subministra a una pressió d'aproximadament 1 bar. El combustible atomitzat es barreja amb l'aire davant dels ports d'admissió dels canals que condueixen als cilindres individuals.

La mescla combustible-aire s'aspira als canals sense una dosificació precisa de la mescla per a cada cilindre. A causa de les diferències en la longitud dels canals i la qualitat dels seus acabats, l'alimentació dels cilindres és desigual. Però també hi ha beneficis. Atès que el recorregut de la barreja de combustible amb aire des del broquet fins a la cambra de combustió és llarg, el combustible es pot evaporar bé quan el motor s'escalfa correctament. En temps fred, el combustible no s'evapora, les truges es condensen a les parets del col·lector i entren parcialment a la cambra de combustió en forma de gotes. D'aquesta forma, no es pot cremar completament durant el cicle de treball, la qual cosa condueix a una baixa eficiència del motor en la fase d'escalfament.

La conseqüència d'això és un augment del consum de combustible i una alta toxicitat dels gasos d'escapament. La injecció d'un sol punt és senzilla i barata, no requereix moltes peces, broquets complexos i sistemes de control avançats. Els baixos costos de producció donen lloc a un preu més baix del vehicle i les reparacions amb injecció d'un sol punt són fàcils. Aquest tipus d'injecció no s'utilitza en els motors dels cotxes de passatgers moderns. Només es pot trobar en models amb un disseny endarrerit, encara que produïts fora d'Europa. Un exemple és el Samand iranià.

privilegis

- Disseny senzill

– Baixos costos de producció i manteniment

– Baixa toxicitat dels gasos d'escapament quan el motor està calent

defectes

– Baixa precisió de dosificació de combustible

– Consum de combustible relativament elevat

– Alta toxicitat dels gasos d'escapament en la fase d'escalfament del motor

– Mal rendiment pel que fa a la dinàmica del motor

Injecció indirecta multipunt

Una extensió de la injecció indirecta d'un sol punt és la injecció indirecta multipunt amb un injector a cada port d'admissió. El combustible es lliura després de l'accelerador, just abans de la vàlvula d'admissió. Els injectors estan més a prop dels cilindres, però el camí de la barreja aire/combustible encara és prou llarg perquè el combustible es vaporitzi en un motor calent. D'altra banda, la fase d'escalfament té menys tendència a condensar-se a les parets de l'orifici d'admissió, ja que la distància entre el broquet i el cilindre és més curta. En sistemes multipunt, el combustible es subministra a una pressió de 2 a 4 bar.

Un injector independent per a cada cilindre ofereix als dissenyadors possibilitats completament noves pel que fa a augmentar la dinàmica del motor, reduir el consum de combustible i reduir les emissions d'escapament. Inicialment, no s'utilitzaven sistemes de control avançats i tots els broquets mesuraven el combustible al mateix temps. Aquesta solució no era òptima, ja que el moment d'injecció no es produïa en tots els cilindres en el moment més avantatjós (quan tocava la vàlvula d'admissió tancada). Només el desenvolupament de l'electrònica va permetre construir sistemes de control més avançats, gràcies als quals la injecció va començar a funcionar amb més precisió.

Inicialment, els broquets es van obrir per parells, després es va desenvolupar un sistema d'injecció de combustible seqüencial, en el qual cada broquet s'obre per separat, en el moment òptim per a un determinat cilindre. Aquesta solució us permet seleccionar amb precisió la dosi de combustible per a cada cop. Un sistema multipunt en sèrie és molt més complex que un sistema d'un sol punt, més car de fabricar i més car de mantenir. Tanmateix, permet augmentar significativament l'eficiència del motor amb menys consum de combustible i menys toxicitat dels gasos d'escapament.

privilegis

- Alta precisió de dosificació de combustible

– Baix consum de combustible

– Moltes possibilitats pel que fa a la dinàmica del motor

– Baixa toxicitat dels gasos d'escapament

defectes

- Gran complexitat del disseny

– Costos de producció i manteniment relativament elevats

Injecció directa

En aquesta solució, l'injector s'instal·la al cilindre i injecta combustible directament a la cambra de combustió. D'una banda, això és molt beneficiós, ja que permet substituir molt ràpidament la càrrega de combustible-aire per sobre del pistó. A més, el combustible relativament fred refreda bé la corona del pistó i les parets del cilindre, de manera que és possible augmentar la relació de compressió i obtenir una eficiència més alta del motor sense por a un cop de combustió advers.

Els motors d'injecció directa estan dissenyats per cremar mescles d'aire/combustible molt magres a baixes càrregues del motor per aconseguir un consum de combustible extremadament baix. No obstant això, va resultar que això provoca problemes amb un excés d'òxids de nitrogen en els gasos d'escapament, per eliminar-ho cal instal·lar sistemes de neteja adequats. Els dissenyadors tracten els òxids de nitrogen de dues maneres: afegint impuls i reduint la mida, o instal·lant un sistema complex de broquets bifàsics. La pràctica també demostra que amb la injecció directa de combustible, el fenomen desfavorable dels dipòsits de carboni als conductes d'admissió dels cilindres i a les tiges de la vàlvula d'admissió (disminució de la dinàmica del motor, augment del consum de combustible).

Això es deu al fet que tant els ports d'admissió com les vàlvules d'admissió no es rentan amb la barreja d'aire/combustible com amb la injecció indirecta. Per tant, no són rentats per partícules fines d'oli que entren al sistema d'aspiració des del sistema de ventilació del cárter. Les impureses de l'oli s'endureixen sota la influència de la temperatura, creant una capa cada cop més gruixuda de fangs no desitjats.

privilegis

– Precisió de dosificació de combustible molt alta

– Possibilitat de cremar mescles magres

– Molt bona dinàmica del motor amb baix consum de combustible

defectes

- Disseny extremadament complex

– Costos de producció i manteniment molt elevats

– Problemes amb l'excés d'òxids de nitrogen als gasos d'escapament

- Dipòsits de carboni al sistema d'admissió

Injecció dual: directa i indirecta

El disseny del sistema d'injecció mixta aprofita tant la injecció indirecta com la directa. La injecció directa funciona quan el motor està fred. La barreja combustible-aire flueix directament sobre el pistó i s'exclou la condensació. Quan el motor està calent i funciona amb una càrrega lleugera (conducció a velocitat constant, acceleració suau), la injecció directa deixa de funcionar i la injecció indirecta multipunt pren el seu paper. El combustible s'evapora millor, els injectors del sistema d'injecció directa molt cars no funcionen i no es desgasten, les vàlvules d'admissió es renten amb la barreja de combustible i aire, de manera que no s'hi formen dipòsits. Amb càrregues elevades del motor (acceleracions fortes, conducció ràpida), la injecció directa es torna a activar, la qual cosa garanteix un ompliment molt ràpid dels cilindres.

privilegis

– Dosificació de combustible molt precisa

– Entrega òptima del motor en totes les condicions

– Molt bona dinàmica del motor amb baix consum de combustible

– No hi ha dipòsits de carboni al sistema d'admissió

defectes

- Gran complexitat del disseny

– Costos de producció i manteniment extremadament elevats