Momento de la inyección de combustible
Cuando pisamos con fuerza el acelerador para incorporarnos a una autopista, el coche responde casi de inmediato.
Entra más aire al motor, el sistema de alimentación aumenta la cantidad de combustible y la presión generada durante la combustión empuja los pistones con más fuerza. Desde el asiento del conductor parece un proceso sencillo: pisamos más el acelerador y obtenemos más potencia.
Pero dentro del motor todo sucede en milisegundos.
No basta con inyectar la cantidad correcta de gasolina o diésel. También es fundamental decidir exactamente en qué momento debe entrar ese combustible.
Una misma cantidad de combustible puede producir resultados muy diferentes según la posición del pistón cuando comienza la inyección. Puede cambiar la forma en que se mezcla con el aire, la velocidad de combustión, la presión dentro del cilindro, el par motor, el consumo e incluso la cantidad de contaminantes que salen por el escape.
Por eso, el momento de la inyección de combustible se ha convertido en uno de los parámetros más importantes de los motores modernos.
En sistemas de gasolina GDI, inyección multipunto o motores diésel common rail, la pregunta fundamental es siempre la misma:
¿Cuál es el mejor momento para inyectar el combustible?
Qué significa realmente el momento de la inyección de combustible
El momento de la inyección indica el punto del ciclo del motor en el que el inyector comienza a suministrar combustible.
En ingeniería se utiliza habitualmente el término SOI, Start of Injection, para indicar el inicio de la inyección.
El momento en que termina se denomina EOI, End of Injection.
Como el pistón está moviéndose continuamente dentro del cilindro, estos acontecimientos suelen expresarse mediante la posición angular del cigüeñal y no simplemente en segundos.
Dos expresiones habituales son:
- BTDC: Before Top Dead Center, antes del punto muerto superior.
- ATDC: After Top Dead Center, después del punto muerto superior.
El punto muerto superior, o PMS, es el punto más alto que alcanza el pistón dentro del cilindro.
| Concepto | Significado | Función |
|---|---|---|
| SOI | Inicio de la inyección | Momento en que el inyector comienza a suministrar combustible |
| EOI | Final de la inyección | Momento en que termina el suministro |
| BTDC | Antes del PMS | Referencia para los eventos de inyección o encendido |
| ATDC | Después del PMS | Permite analizar cómo avanza la combustión |
| Duración de inyección | Tiempo que permanece activo el inyector | Influye en la cantidad de combustible |
| Presión del rail | Presión disponible en el sistema | Influye en la pulverización y atomización |
No existe un único momento de inyección válido para todos los motores.
El valor óptimo cambia en función del régimen del motor, la carga, la temperatura, la presión de combustible, la cantidad de aire y el diseño de la cámara de combustión.
Inyección y encendido no son lo mismo
Una confusión bastante habitual consiste en pensar que el momento de la inyección y el momento del encendido son la misma cosa.
En un motor de gasolina son dos acontecimientos diferentes.
Primero se introduce el combustible.
Después, en otro punto del ciclo, la bujía produce la chispa que inicia la combustión.
La unidad de control electrónico, conocida como ECU, puede modificar ambos valores de forma independiente.
En un motor diésel la situación es diferente.
El aire se comprime tanto que su temperatura aumenta considerablemente. Cuando el combustible diésel entra en ese aire caliente y comprimido, comienza el proceso de autoencendido después de un pequeño retraso denominado retraso de ignición.
Por eso, en un diésel existe una relación mucho más directa entre el momento de la inyección y el comienzo real de la combustión.
Esta diferencia ayuda a entender por qué la estrategia de inyección tiene tanta importancia en los motores common rail modernos.
Por qué la misma cantidad de combustible puede generar diferente potencia
Para producir potencia no basta con quemar combustible.
La presión generada durante la combustión debe aparecer en un momento favorable del recorrido del pistón.
Si la presión aumenta demasiado pronto, mientras el pistón todavía se está acercando al punto muerto superior, parte de esa presión puede actuar en sentido contrario al movimiento del pistón.
Si la combustión ocurre demasiado tarde, el pistón ya habrá descendido demasiado y parte de la energía térmica no podrá convertirse eficazmente en trabajo mecánico.
Aquí aparece un concepto muy importante: la fase de combustión o combustion phasing.
Se refiere a la posición del cigüeñal en la que se desarrolla la parte principal de la liberación de calor.
El momento de la inyección puede modificar esta fase porque cambia el tiempo disponible para pulverizar, evaporar y mezclar el combustible con el aire.
En los motores diésel, una variación del comienzo de la inyección puede modificar el retraso de ignición, la combustión premezclada, la combustión por difusión, la presión máxima del cilindro y el par.
En un motor GDI también modifica la calidad de la mezcla que rodea a la bujía.
Por eso, incluso utilizando exactamente la misma cantidad de combustible, el comportamiento del motor puede ser diferente.
El combustible no se quema inmediatamente después de salir del inyector
Cuando vemos una imagen de un inyector pulverizando gasolina, podría parecer que el combustible comienza a quemarse de inmediato.
En realidad debe atravesar varias etapas.
Inyección
↓
Atomización
↓
Evaporación
↓
Formación de la mezcla aire-combustible
↓
Encendido o autoencendido
↓
Combustión
El combustible líquido sale por los pequeños orificios del inyector y se divide en pequeñas gotas.
Este proceso se conoce como atomización.
Cuanto mejor es la atomización, mayor superficie de combustible queda expuesta al aire y más fácilmente puede producirse la evaporación.
Después, el vapor de combustible debe mezclarse con el oxígeno disponible.
Por eso el momento de la inyección también determina cuánto tiempo tiene el combustible para formar una mezcla adecuada.
Si se inyecta demasiado tarde, puede faltar tiempo para que se evapore y se mezcle correctamente.
Pero adelantar mucho la inyección tampoco garantiza mejores resultados.
En determinados motores de inyección directa, el chorro puede impactar contra el pistón o contra las paredes del cilindro.
Cuando ocurre, parte del combustible forma una película líquida conocida como wall wetting.
Esa película puede resultar más difícil de quemar completamente.
Por qué el momento de la inyección es tan importante en un motor GDI
Los motores de gasolina de inyección directa son cada vez más habituales.
En muchos mercados aparecen identificados como GDI, DI o mediante denominaciones comerciales propias de cada fabricante.
La principal diferencia está en el lugar donde se introduce el combustible.
En un sistema de inyección multipunto o port fuel injection, el inyector pulveriza gasolina en el conducto de admisión, normalmente cerca de la válvula.
La gasolina dispone de más tiempo para mezclarse con el aire antes de entrar en el cilindro.
En un motor GDI, Gasoline Direct Injection, el inyector está situado directamente en la cámara de combustión.
Esto permite un control mucho más preciso, pero también hace que el momento de la inyección sea más delicado.
El comportamiento del combustible depende de numerosos factores:
- posición del pistón,
- presión dentro del cilindro,
- movimiento del aire,
- flujo tumble,
- diseño de la cámara,
- ángulo del inyector,
- presión del combustible,
- temperatura del motor.
Si la inyección se realiza en un momento adecuado, el combustible puede evaporarse bien y distribuirse correctamente.
Si el momento es incorrecto, aumenta la posibilidad de que el combustible líquido impacte contra superficies internas.
Qué ocurre cuando la inyección se produce demasiado pronto
Adelantar la inyección proporciona, en principio, más tiempo para formar la mezcla.
Sin embargo, en un motor de inyección directa también puede crear problemas.
El pistón cambia continuamente de posición y el chorro de combustible debe atravesar un flujo de aire en movimiento.
Si la geometría no es favorable, parte del combustible puede golpear la cabeza del pistón.
Cuando la gasolina queda adherida a una superficie en forma líquida, aumenta el riesgo de combustión incompleta.
Esto puede incrementar:
- hidrocarburos sin quemar,
- partículas PM,
- número de partículas PN,
- dilución del aceite con combustible.
Por esta razón no existe una regla simple según la cual una inyección más temprana siempre sea mejor.
Cada motor tiene su propia ventana óptima de inyección.
Qué ocurre cuando la inyección es demasiado tardía
En el extremo contrario encontramos la inyección excesivamente tardía.
En este caso el problema principal es el poco tiempo disponible para que el combustible se evapore y se mezcle.
A bajas revoluciones, cada ciclo dispone de relativamente más tiempo.
Pero a 5.000 o 6.000 rpm todo sucede muchísimo más rápido.
La inyección, evaporación, formación de mezcla, encendido, combustión y escape tienen que completarse en apenas unos milisegundos.
Si el combustible entra demasiado tarde, pueden aparecer zonas localmente muy ricas.
En esas regiones hay demasiado combustible para la cantidad de oxígeno disponible.
El resultado puede ser un aumento de la combustión incompleta y de las partículas.
Eso no significa que toda inyección tardía sea incorrecta.
Los motores modernos utilizan estrategias diferentes dependiendo de la temperatura, régimen y carga.
Lo importante no es que la inyección sea pronto o tarde en términos absolutos.
Lo importante es que se produzca en el momento adecuado para esa condición concreta.
La reflexión de Kori a mitad del camino
Cuanto más observo el funcionamiento de los motores modernos, más claro veo que las mejores soluciones casi nunca consisten en llevar una sola variable al extremo.
Inyectar antes no siempre es mejor.
Aumentar mucho la presión tampoco resuelve por sí solo todos los problemas de combustión.
Y añadir más gasolina no significa necesariamente conseguir más potencia útil.
El verdadero desafío consiste en introducir la cantidad correcta de combustible, en el momento correcto y de la forma más favorable para que pueda quemarse.
Gran parte de la diferencia entre un motor refinado y otro peor calibrado está escondida dentro del software de la ECU.
Consejo en una línea: al estudiar un sistema de inyección conviene analizar juntos la cantidad de combustible, el momento de inyección, la presión y el número de inyecciones.
Relación entre el momento de la inyección y NOx, HC, CO y partículas
La inyección también influye directamente en las emisiones contaminantes.
Cada contaminante se forma con mayor facilidad bajo determinadas condiciones.
| Emisión | Situación que favorece su formación | Relación con la inyección |
|---|---|---|
| NOx | Temperatura elevada de combustión | La fase de combustión modifica las temperaturas máximas |
| HC | Combustible sin quemar | Puede aumentar por wall wetting o mala evaporación |
| CO | Falta de oxígeno | Aumenta en zonas excesivamente ricas |
| PM / PN | Combustión local muy rica | Puede aumentar por mala mezcla o impacto del chorro |
| CO₂ | Mayor consumo de combustible | Relacionado indirectamente con la eficiencia |
Los óxidos de nitrógeno, NOx, se forman especialmente a altas temperaturas.
Los hidrocarburos, HC, proceden en gran medida de combustible que no ha llegado a quemarse completamente.
El monóxido de carbono, CO, aumenta cuando falta oxígeno para completar la oxidación.
Las partículas PM y PN son especialmente relevantes en los motores de gasolina de inyección directa cuando aparecen zonas muy ricas o películas de combustible líquido.
El reto de los ingenieros consiste en controlar todos estos fenómenos al mismo tiempo.
Y no siempre es sencillo.
Reducir un contaminante puede empeorar otro.
Por qué los motores diésel tienen el compromiso entre NOx y hollín
En un motor diésel clásico, adelantar la inyección suele provocar que la combustión también comience antes.
Dependiendo del régimen y de la carga, esto puede elevar la presión y la temperatura dentro del cilindro.
Las temperaturas elevadas favorecen la formación de NOx.
Al mismo tiempo, disponer de más tiempo para la combustión y oxidación puede ayudar a reducir el hollín.
Si se retrasa la inyección, puede disminuir la formación de NOx en algunas condiciones.
Pero un retraso excesivo puede reducir la eficiencia térmica, aumentar el consumo y favorecer el humo.
Este fenómeno se conoce habitualmente como el compromiso NOx-soot.
Los motores diésel actuales complican mucho esta relación porque incorporan:
- EGR,
- turbocompresor,
- common rail de alta presión,
- múltiples inyecciones,
- filtro de partículas DPF,
- sistema SCR,
- catalizadores de oxidación.
Por eso no se debe aplicar una regla demasiado simple a todos los diésel modernos.
Por qué un diésel common rail inyecta varias veces
Uno de los grandes avances de los sistemas common rail es la posibilidad de realizar varias inyecciones durante un solo ciclo.
Las más conocidas son la inyección piloto, la principal y la posterior.
La inyección piloto introduce una pequeña cantidad de combustible antes de la principal.
La inyección principal proporciona la mayor parte de la energía que genera el par motor.
La postinyección puede utilizarse después de la combustión principal para determinadas estrategias de emisiones y tratamiento de gases.
La inyección piloto ayuda, entre otras cosas, a controlar la brusquedad de la combustión diésel.
Si se introduce una gran cantidad de combustible de una sola vez, parte puede acumularse durante el retraso de ignición.
Cuando finalmente comienza la combustión, la presión puede aumentar con mucha rapidez.
Ese rápido aumento de presión contribuye al característico ruido de combustión de un motor diésel.
Una pequeña inyección piloto puede preparar las condiciones dentro del cilindro antes de que llegue la inyección principal.
Pero también importa la separación entre ambas.
Ese intervalo se conoce como dwell time.
Cambiarlo puede alterar la presión, la tasa de liberación de calor, el ruido, el NOx y el hollín.
Caso real 1: arrancar un motor GDI en una mañana fría
Imaginemos un automóvil estacionado durante toda la noche en invierno.
El bloque del motor está frío.
También lo están los pistones, las paredes de los cilindros y el líquido refrigerante.
La gasolina se evapora con mayor dificultad sobre superficies frías.
Para conseguir un arranque estable, la ECU puede enriquecer temporalmente la mezcla y modificar el patrón de inyección.
El problema es que parte de ese combustible puede permanecer en estado líquido.
Si toca una superficie fría, aumenta el wall wetting.
Esto puede elevar las emisiones de hidrocarburos y partículas durante los primeros segundos después del arranque.
Además existe otro problema.
El catalizador de tres vías también está frío.
Un catalizador necesita alcanzar una determinada temperatura para eliminar los contaminantes con eficacia.
Por eso los fabricantes utilizan estrategias denominadas catalyst light-off.
Durante ese periodo pueden modificarse al mismo tiempo:
- cantidad de combustible,
- momento de inyección,
- inyección dividida,
- momento del encendido,
- régimen de ralentí,
- flujo de aire.
El arranque en frío es precisamente uno de los momentos en los que más compleja resulta la calibración del motor.
Caso real 2: acelerar con fuerza al entrar en una autopista
Ahora imaginemos una aceleración intensa.
El conductor pisa el acelerador, aumenta el flujo de aire y, en un motor turboalimentado, también puede subir la presión de sobrealimentación.
La ECU debe introducir más combustible.
Sin embargo, a medida que aumentan las rpm, el tiempo real disponible para hacerlo es menor.
El sistema necesita suministrar más combustible dentro de una ventana cada vez más corta.
Para conseguirlo puede aumentar la presión del rail, adelantar o retrasar el inicio de la inyección, ampliar su duración o dividir el combustible en varios eventos.
Si la pulverización impacta demasiado contra el pistón o la pared del cilindro, pueden aparecer películas de combustible.
En motores turbo GDI, las condiciones de alta carga también obligan a controlar cuidadosamente el picado y fenómenos de combustión anormal como LSPI, Low-Speed Pre-Ignition.
El LSPI no depende únicamente del momento de inyección, pero la formación de la mezcla y las condiciones internas del cilindro forman parte del problema.
Caso real 3: cómo se consigue que un diésel sea más silencioso
Un motor diésel puede producir un sonido duro cuando la presión del cilindro aumenta demasiado deprisa.
Supongamos que todo el combustible necesario se introduce en una sola inyección.
Durante el retraso de ignición, parte de ese combustible tiene tiempo para mezclarse con el aire.
Cuando finalmente se produce la autoignición, una cantidad relativamente grande puede comenzar a quemarse casi simultáneamente.
La presión aumenta rápidamente.
Con una pequeña inyección piloto, el motor puede iniciar una combustión suave antes de introducir la mayor parte del combustible.
De este modo la combustión principal puede producirse de manera más progresiva.
Pero el intervalo tiene que estar bien calculado.
Si las dos inyecciones están demasiado juntas, pueden comportarse casi como una sola.
Si están demasiado separadas, el efecto térmico de la inyección piloto puede cambiar.
Por eso los inyectores modernos necesitan responder con enorme rapidez.
Cómo decide la ECU cuándo debe inyectar el combustible
El conductor no controla directamente el momento de inyección.
La ECU calcula constantemente la estrategia utilizando información procedente de numerosos sensores.
El sensor de posición del cigüeñal informa sobre la posición del motor y sus revoluciones.
El sensor del árbol de levas permite conocer en qué fase se encuentra cada cilindro.
El sensor MAF mide la masa de aire que entra.
El sensor MAP mide la presión del colector de admisión.
El sensor de temperatura del refrigerante permite distinguir entre un motor frío y uno caliente.
La sonda lambda o sensor A/F ayuda a comprobar la relación aire-combustible.
El sensor de picado detecta vibraciones asociadas a una combustión anormal.
El sensor de presión del rail comprueba la presión real disponible para los inyectores.
Con toda esta información, la ECU calcula:
- cantidad de combustible,
- inicio de la inyección,
- duración,
- presión del rail,
- número de inyecciones,
- momento del encendido,
- presión del turbo,
- distribución variable.
Un motor moderno no se limita a añadir combustible.
Está organizando continuamente todo el proceso de combustión.
Diferencia entre momento de inyección y momento de encendido
En un motor de gasolina, estos conceptos deben separarse claramente.
El momento de inyección indica cuándo entra el combustible.
El momento de encendido indica cuándo la bujía produce la chispa.
En un motor de inyección multipunto, la gasolina puede introducirse en el conducto de admisión bastante antes de que se produzca la chispa.
En un GDI, el combustible puede inyectarse durante la admisión, durante la compresión o incluso mediante varios pulsos.
Después, la bujía inicia la combustión en otro instante.
Por eso no es correcto explicar la potencia o el picado de un motor de gasolina utilizando únicamente el momento de inyección.
El encendido tiene una influencia enorme sobre la fase de combustión.
La inyección, por su parte, determina en gran medida cómo está preparada la mezcla antes de que salte la chispa.
En el diésel la relación es más directa porque no existe una bujía convencional iniciando la combustión.
Qué síntomas pueden aparecer cuando la estrategia de inyección no funciona correctamente
En los motores actuales, el momento de inyección está controlado electrónicamente y no suele desplazarse mecánicamente como podía ocurrir en antiguos sistemas diésel.
Sin embargo, diversos fallos pueden provocar una combustión incorrecta.
Entre las causas posibles se encuentran:
- sensor del cigüeñal defectuoso,
- sensor del árbol de levas defectuoso,
- inyectores deteriorados,
- presión incorrecta del combustible,
- bomba de combustible debilitada,
- fallos eléctricos,
- sensores incorrectos,
- problemas de la ECU.
El conductor puede notar pérdida de potencia, peor aceleración, ralentí irregular, dificultad para arrancar, mayor consumo, humo negro, tirones o el encendido del testigo de avería del motor.
Pero estos síntomas no significan automáticamente que el momento de inyección esté mal.
Una bujía, una bobina, una bomba, un sensor de oxígeno o un inyector defectuoso pueden producir síntomas muy parecidos.
Por eso un diagnóstico correcto debe incluir datos OBD-II, fuel trims, presión del rail, contadores de fallos de encendido y señales de sensores.
La tecnología de inyección es, en el fondo, una carrera contra el tiempo
Dentro de un motor suceden muchas cosas en un periodo extraordinariamente corto.
Entra aire.
Se inyecta combustible.
Las gotas se atomizan.
El combustible se evapora.
Se mezcla con el aire.
En gasolina aparece la chispa.
En diésel se produce el autoencendido.
La presión dentro del cilindro aumenta.
El pistón desciende.
Después llegan los gases de escape.
Y todo vuelve a empezar.
A altas revoluciones este proceso se repite decenas de veces por segundo en cada cilindro.
Por eso las ECU actuales trabajan en milisegundos y grados de cigüeñal.
La cantidad de combustible determina cuánta energía química entra en el cilindro.
El momento de inyección ayuda a determinar cuánta de esa energía puede convertirse realmente en trabajo útil.
Ahí está la razón por la que la inyección influye al mismo tiempo en potencia, consumo, suavidad de funcionamiento, emisiones y durabilidad.
Al entender el momento de la inyección, también se vuelve evidente que el inyector no funciona como un componente aislado. Para que pueda suministrar combustible exactamente en el instante correcto, primero es necesario que el combustible salga del depósito, pase por la bomba, el filtro, las líneas y el rail manteniendo una presión adecuada.
Por eso, el momento de inyección puede considerarse la última etapa de precisión dentro de todo el sistema de alimentación. Para comprender cómo se almacena el combustible, cómo se presuriza, cómo llega hasta los inyectores y qué ocurre cuando alguno de estos componentes falla, 「Sistema de combustible del automóvil｜Del depósito a los inyectores」 permite conectar todo el recorrido del combustible con el proceso de inyección y combustión.
La opinión de Kori
Cuando hablamos de prestaciones de un automóvil, es fácil pensar primero en los caballos de potencia, la cilindrada, el turbo o la presión de sobrealimentación.
Pero muchas de las diferencias más interesantes entre dos motores se encuentran en detalles que el conductor nunca puede ver.
Inyectar un poco antes.
Inyectar un poco después.
Dividir el combustible en dos o tres pulsos.
Aumentar la presión.
Modificar la cantidad.
Cada una de estas decisiones puede cambiar la forma en que se produce la combustión.
En los motores GDI y common rail actuales, la ECU modifica constantemente el momento, la cantidad, la presión y el número de inyecciones intentando encontrar el mejor equilibrio entre potencia, consumo, suavidad y emisiones.
Por eso considero que la mejor manera de entender un sistema de inyección no consiste en estudiar el inyector de forma aislada.
Hay que seguir todo el recorrido desde el momento en que el combustible sale del inyector hasta que la presión de combustión empuja el pistón.
Un buen motor no es simplemente el que consigue quemar más combustible.
Es el que consigue quemar la cantidad necesaria, en el momento adecuado y de la manera más eficiente posible.
Referencias
- Bosch Mobility — Información técnica sobre sistemas de inyección directa de gasolina
- SAE International — Estudios sobre momento de inyección GDI y emisiones de partículas
- SAE International — Investigaciones sobre inyección diésel, NOx y formación de partículas
- SAE International — Estudios sobre inyección piloto y combustión common rail
- Argonne National Laboratory — Investigaciones sobre combustión GDI y partículas
- Chalmers University of Technology — Estudios sobre películas de combustible y número de partículas en GDI
- Hyundai Motor Company / SAE International — Investigaciones sobre arranque en frío y estrategias de inyección directa
Preguntas frecuentes
1. ¿Adelantar la inyección de combustible siempre aumenta la potencia?
No.
Adelantar la inyección puede proporcionar más tiempo para la evaporación y la mezcla, pero un adelanto excesivo puede provocar que el combustible golpee el pistón o las paredes del cilindro en determinados motores de inyección directa.
El momento óptimo depende del régimen, la carga, la temperatura, la presión de combustible y el diseño del motor.
2. ¿El momento de inyección y el momento de encendido son lo mismo?
No.
El momento de inyección indica cuándo el inyector suministra combustible.
El momento de encendido indica cuándo la bujía produce la chispa en un motor de gasolina.
Ambos parámetros se controlan de forma independiente.
En un motor diésel, la inyección está más directamente relacionada con el comienzo de la combustión porque el combustible se autoenciende por la temperatura del aire comprimido.
3. ¿Los coches modernos siguen modificando el momento de la inyección?
Sí.
De hecho, los motores modernos GDI y common rail utilizan una regulación mucho más precisa.
La ECU analiza rpm, carga, temperatura, masa de aire, presión del rail y otros datos para modificar continuamente el inicio, la duración, la presión y el número de inyecciones.
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