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¿Qué pasa, Petroadets? Hoy vamos a hacer una comparación detallada de tres tipos diferentes de sistemas de inyección de gasolina: inyección indirecta, inyección directa e inyección dual. Veremos cómo funciona cada sistema y en qué se diferencian entre sí. Y, por supuesto, examinaremos las ventajas y desventajas de cada configuración.
Entonces, empecemos.
Tanto la inyección indirecta como la directa hacen básicamente lo mismo, como su nombre indica, inyectan combustible para que este se mezcle con el aire y cree una mezcla aire combustible que al quemarse genera presiones de combustión que empujan el pistón hacia abajo, lo que hace girar el cigüeñal y en última instancia hace girar las ruedas del vehículo.
Aunque hacen lo mismo, estos dos métodos difieren en la ubicación donde inyectan el combustible. La inyección indirecta, también llamada inyección en puerto, inyecta el combustible en el puerto de admisión del motor antes de la válvula de admisión, mientras que la inyección directa inyecta el combustible directamente en la cámara de combustión después de la válvula de admisión.
Esto significa que en el caso de la inyección indirecta, los inyectores suelen encontrarse en algún lugar del colector de admisión del motor, mientras que en el caso de la inyección directa, los inyectores se encontrarán en la tapa de balancines o si no están allí, estarán debajo del colector de admisión sobresaliendo directamente en la culata.
Aunque la ubicación de la inyección de combustible puede parecer algo trivial, en realidad desempeña un papel fundamental en el diseño del motor e influye notablemente en el rendimiento, eficiencia, emisiones y en el mantenimiento.
Ambos sistemas, el indirecto y el directo, constan esencialmente de las mismas piezas: un depósito de combustible, una bomba, algunas líneas de combustible e inyectores. Ahora, la unidad de control del motor o SU mide la cantidad de aire que entra en el motor mediante varios sensores y luego indica a los inyectores la cantidad de combustible que deben inyectar para que la cantidad de combustible inyectada se corresponda con la cantidad de aire que entra en el motor. Todo ello con el objetivo de crear una combustión lo más cercana posible a la ideal.
Pero la inyección directa tiene una tarea más difícil que la inyección en el puerto. Debido a que el combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión, los inyectores directos deben pulverizar el combustible con la fuerza suficiente para superar las presiones generadas por la compresión del motor. Y si alguna vez ha mirado la compresión de un motor, sabrá que el movimiento ascendente del pistón dentro del motor puede generar fácilmente presiones superiores a 100 psi.
Ahora, los inyectores en el puerto no tienen que combatir esta presión de compresión porque inyectan combustible antes de la válvula de admisión, lo que significa que inyectan a presión atmosférica si comienza la inyección antes de que se abra la válvula de admisión o inyectan el vacío si comienzan a inyectar después de que se abra la válvula de admisión. Esto significa que la inyección indirecta necesita entre 40 y 65 PSI para funcionar correctamente. Obviamente esto es menos que las presiones de compresión generadas por el propio motor, lo que significa que si se intenta utilizar un inyector de puerto para inyectar combustible directamente en la cámara de combustión, el combustible nunca saldría del inyector.
Por eso, para garantizar que pueda superar fácilmente las presiones generadas por la compresión del motor, la inyección directa de combustible suele funcionar a presiones de combustible superiores a 2000 PSI, es decir, 140 bares, lo que supone 140 veces la presión de la atmósfera terrestre y también 20 veces la presión de compresión del motor.
Pero, por supuesto, para generar presiones tan altas, la inyección directa necesita piezas adicionales. En primer lugar, no puede funcionar con una configuración sencilla de una sola bomba de combustible, sino que necesita dos bombas de combustible. La primera es una bomba de combustible de baja presión dentro del depósito que envía el combustible por las líneas desde el depósito hasta una bomba de combustible de alta presión accionada por el árbol de levas que aumenta la presión hasta el nivel requerido y luego lo envía a una línea de combustible desde donde se distribuye a los inyectores.
Estos inyectores también son radicalmente diferentes a los inyectores de puerto. Son más avanzados porque deben ser capaces de abrirse y cerrarse rápidamente contra combustible muy altas y también debido a que sus puntas se encuentran directamente dentro de la cámara de combustión deben ser capaces de funcionar correctamente mientras están expuestos a las condiciones extremadamente duras que crea la combustión del motor. Los inyectores en el puerto no tienen ninguno de estos problemas, por lo que en general son mucho menos costosos y mucho menos complejos que los inyectores directos.
En general, un sistema de inyección directa, debido a su mayor complejidad y al mayor número de piezas aumenta los costes de producción y el precio de los vehículos.
Así pues, la ubicación de la inyección determina la presión a la que debe funcionar el sistema y también aumenta el número y la complejidad de las piezas. Pero si ha prestado atención, también habrá observado que la ubicación de la inyección también determina el momento de la inyección.
Como hemos dicho, los inyectores de puerto inyectan al vacío o presión atmosférica si la inyección comienza antes de que se abra la válvula de admisión. ¿Y cuándo se abre la válvula de admisión? Por supuesto, durante la carrera de admisión del motor, lo que nos indica que la inyección indirecta se produce durante la carrera de admisión. De hecho, puede producirse en cualquier otro momento durante cualquier otra carrera del motor, pero el combustible entra realmente en la cámara durante la carrera de admisión.
En lo que respecta a la inyección directa, es posible que recuerde que debe hacer frente a las presiones de compresión del motor. ¿Y en qué momento el motor genera presión de compresión? Por supuesto, durante la carrera de compresión, lo que nos indica que la inyección directa se produce durante la carrera de compresión del motor. De hecho, en la mayoría de los sistemas modernos más recientes, la inyección directa se produce durante las últimas etapas de la carrera de compresión, justo antes de que se produzca la combustión. Y aunque en algunos sistemas más antiguos la inyección directa se produciría en las primeras etapas de la carrera de compresión o incluso antes, durante la carrera de admisión, dependiendo de la velocidad y la carga del motor.
En general, la inyección directa comienza mucho más tarde y tiene una duración mucho más corta que la inyección indirecta.
Entonces, ¿cómo le afecta al motor el momento de la inyección? Por un lado, permite unas relaciones de compresión más altas en el caso de la inyección directa. Ahora, no te confundas. La presión de compresión es la presión generada por el movimiento ascendente del pistón dentro del motor, pero la relación de compresión es la relación entre el mayor y el menor volumen de los cilindros del motor. Cuanto mayor es la relación de compresión, más comprimimos la mezcla de aire y combustible dentro de un cilindro. Cuanto más la comprimimos, más acercamos el pistón al centro de la combustión. Y cuanto más cerca está el pistón de la combustión, más energía de la combustión se puede transferir al pistón y convertir en movimiento. En otras palabras, una relación de compresión más alta puede conducir tanto a un mejor rendimiento como a una mayor eficiencia.
Entonces, ¿cómo exactamente un tiempo de inyección diferente permite una relación de compresión más alta? Para entenderlo, debemos observar la inyección indirecta y la inyección directa una al lado de la otra. Y como se puede ver en el caso de la inyección indirecta, el combustible entra en el cilindro mucho antes y pasa más tiempo en él que en el caso de la inyección directa en la que el combustible solo entra en la última fase de la carrera de compresión.
Ahora, hay que recordar que el interior de un motor está caliente. Las temperaturas dentro del cilindro son siempre altas porque la combustión se ha producido allí hace solo unos milisegundos. Las válvulas de admisión también transmiten mucho calor, ya que están constantemente expuestas al calor de la combustión. Y la mezcla de aire y combustible que entra en el cilindro de un motor con inyección indirecta tiene que pasar justo por la válvula de admisión, por lo que absorbe el calor de la válvula. Todo este calor dentro del motor significa que cuanto más tiempo pasa la mezcla de aire y combustible dentro del motor, más se calienta. Y cuanto más se calienta, mayores son las posibilidades de que se produzca una combustión espontánea o detonación.
La detonación es una combustión espontánea anómala de la mezcla de aire combustible que se produce después de que se enciende la bujía y se produce fuera del frente de llama que se propaga uniformemente iniciado por la bujía. Para que la mezcla de aire combustible se autoencienda espontáneamente necesita calor, mucho calor. Y este calor puede provenir de dos fuentes principales.
La primera fuente es la compresión de la propia mezcla de aire de combustible. Cuanto más comprimimos un gas, más acercamos sus moléculas, lo que hace que choquen entre sí, aumentando su fricción y por lo tanto el calor del gas. Ahora bien, la mezcla de aire y combustible es, por supuesto, también un gas, lo que significa que cuanto más la comprimimos, mayor es la relación de compresión, mayor es el calor de la mezcla de aire combustible y mayor es la probabilidad de que se encienda espontáneamente.
La segunda fuente de calor proviene de la propia combustión. Cuando la bujía enciende, se inicia un frente de llama que se extiende uniformemente hacia afuera desde la bujía. Por supuesto, este frente de llama ejerce calor y presión sobre la mezcla de aire y combustible sin quemar fuera de este frente de llama. Y si la mezcla de aire combustible sin quemar ya está lo suficientemente calienta por la compresión, el calor y la presión añadidos por la combustión pueden provocar que se encienda espontáneamente, lo que da lugar a detonación. Si la detonación persiste durante el tiempo suficiente y es lo suficientemente fuerte, destruirá el motor.
Ahora bien, como hemos dicho, la mezcla de aire combustible pasa más tiempo dentro de un motor de inyección indirecta que en un motor de inyección directa, lo que significa que acumula más calor y ya se encuentra una temperatura más alta cuando comienza la combustión. Ahora bien, cuando añadimos el calor de la compresión y el calor de la combustión al calor base ya más elevado de la mezcla de aire y combustible dentro de un motor de inyección indirecta, esto significa que podemos entrar más fácilmente en el territorio de la detonación y el resultado es que tenemos que ser algo conservadores con la relación de compresión dentro de un motor de inyección indirecta para evitar la detonación.
Ahora bien, en el caso de la inyección directa, como hemos dicho, el combustible entra en el sistema más tarde, en una fase tardía de la compresión, lo que significa que la mezcla de aire de combustible pasa menos tiempo dentro del cilindro acumulando calor, lo que da lugar a un calor base más bajo una vez que comienza la combustión. Y debido a esto, tenemos más margen para aumentar la relación de compresión del motor en una configuración de inyección directa. Y como hemos dicho, una relación de compresión más alta puede conducir a una mayor potencia y eficiencia. Y esta es una de las razones clave por las que se ha invertido tanto en investigación y desarrollo en la inyección directa.
La otra ventaja clave de la inyección directa es que puede reducir el consumo de combustible y las emisiones nocivas. Esto es posible porque pulveriza el combustible directamente en la cámara de combustión, lo que significa que la cantidad de combustible pulverizada por los inyectores es la misma que la que realmente acaba en la cámara de combustión y puede quemarse. Pero este no es el caso de la inyección indirecta. Debido a que el combustible se inyecta fuera de la cámara de combustión y la cantidad de combustible liberada por los inyectores no es necesariamente la misma que la que acaba en la cámara de combustión. Parte del combustible puede acabar en forma de gotas que se acumulan en las paredes del colector de admisión o en los poros de admisión de la culata. Además, la válvula de admisión puede cerrarse antes de que toda la mezcla de aire combustible entre en el cilindro, lo que da como resultado que la diferencia entre el combustible inyectado y el combustible quemado sea mayor en los motores con inyectores en el puerto, lo que se traduce en una menor precisión y un menor control sobre el proceso de inyección, lo que puede afectar negativamente a las emisiones y al ahorro de combustible.
Pero toda moneda tiene dos caras y lo que pueden parecer inconvenientes de la inyección indirecta también pueden ser ventajas en diferentes situaciones. Como hemos dicho, la mezcla de aire combustible pasa más tiempo dentro del cilindro de un motor con inyección indirecta. Y aunque esto le permite acumular más calor y en última instancia limita la relación de compresión, también le da al combustible más tiempo para vaporizarse y mezclarse con el aire. Para lograr una buena combustión es necesario quemar todo el combustible dentro del cilindro y para ello es necesario que la mezcla de aire combustible sea lo más homogénea posible. En otras palabras, es necesario que el aire y combustible estén bien mezclados y una forma de lograrlo es agitando la mezcla tanto como sea posible.
Ahora, hay mucho tiempo para agitar la mezcla de aire y combustible dentro de un motor de inyección indirecta. Esto ocurre primero cuando el aire y el combustible entran juntos en el cilindro y se arremolinan. Y luego ocurre un poco más durante toda la carrera de compresión cuando el pistón empuja rápidamente la mezcla de aire y combustible hacia arriba.
Desafortunadamente, la inyección directa no tiene ni de lejos el mismo tiempo disponible para vaporizar el combustible. Como hemos dicho, la mayoría de las configuraciones más recientes comienzan a inyectar solo en la segunda mitad de la carrera de compresión. La inyección directa compensa esto con presiones de combustible extremadamente altas que mejoran drásticamente la atomización del combustible y también utiliza trucos como cavidades especiales en los pistones contra las que se pulveriza el combustible y contra las que la mezcla de aire de combustible hace remolinos.
Sin embargo, a pesar de ello, la inyección directa puede sufrir una homogeneización deficiente de la mezcla de aire de combustible a bajas revoluciones del motor. A bajo régimen, la velocidad de los pistones también es menor, lo que significa que el pistón empuja la mezcla de aire de combustible más lentamente, lo que hace que se agite menos, lo que significa que a bajo régimen, los motores de inyección directa pueden presentar pequeñas bolsas de combustible sin quemar dentro de la mezcla de aire de combustible. Por supuesto, esto da lugar a una combustión menos que perfecta, un aumento de las emisiones y a una reducción de la eficiencia a bajo régimen. Esto significa que dependiendo del diseño del motor y del sistema de combustible, en algunos casos un motor de inyección indirecta puede tener menos emisiones y una mayor eficiencia que un motor de inyección directa a bajas revoluciones.
Otro problema al que se enfrenta la inyección directa es el suministro de combustible a altas revoluciones. Imaginemos un motor que funciona a 6500 revoluciones por minuto. Con 6500 vueltas por minuto, una sola rotación o revolución del motor dura solo 9 milisegundos, lo que significa que una sola carrera del motor es de 4 milisegundos y medio. Y como hemos dicho, la mayoría de las configuraciones de inyección directa más reciente solo comienzan a inyectar en la segunda mitad de la carrera de compresión, lo que significa que solo hay 2,25 milisegundos disponibles para inyectar todo el combustible necesario. Para poner esto en perspectiva, el parpadeo medio de un ser humano es de 100 a 150 milisegundos. Ahora bien, incluso si de alguna manera pudiéramos empezar a inyectar al principio de la carrera de admisión, lo que nunca ocurre, solo tendríamos 18 milisegundos para inyectar el combustible antes de que comience realmente la combustión.
Ahora bien, la inyección indirecta no tiene que preocuparse por el inicio de la combustión, ya que el inyector se encuentra detrás de la válvula de admisión que está cerrada durante la carrera de combustión y en todas las demás carreras, excepto en la de admisión, lo que significa que mantiene los inyectores alejados de la combustión. En otras palabras, en el caso de la inyección indirecta, podemos empezar a inyectar durante la carrera de conversión y seguir inyectando durante toda la carrera de combustión y la de escape hasta la siguiente carrera de admisión. Cuando las válvulas de admisión se abren de nuevo, el combustible simplemente se acumulará detrás de las válvulas de admisión y entrará de una sola vez cuando las válvulas se abran de nuevo. Esto significa que si se instalan inyectores con suficiente capacidad dentro de un motor de inyección indirecta, nunca se quedará sin combustible. En otras palabras, puede acelerar tanto como puedan soportar sus componentes internos. La configuración de inyección indirecta nunca será un obstáculo para su límite de RPM.
Pero ese no es el caso de la inyección directa, ya que a medida que aumentan las revoluciones, el tiempo de inyección se reduce tanto que ninguna capacidad de inyector o presión de combustible puede compensarlo. Y es por eso que en promedio los motores de inyección directa están limitados a unas 6500 revoluciones por minuto. Hay excepciones con más revoluciones y límites más altos que se logran a expensas de las emisiones o la eficiencia, pero el límite común suele ser de unas 6,500 revoluciones por minuto o menos.
Ahora bien, la ubicación de la inyección conlleva una última ventaja a favor de la inyección indirecta. La gasolina es un gran disolvente. Si quieres limpiar una pieza vieja y grasienta, solo tienes que echar un poco de gasolina en un cepillo y verás cómo se produce la magia. Y como hemos dicho, la parte posterior de las válvulas de admisión de un motor con inyección en puerto está constantemente expuesta al flujo de gasolina que sale de los inyectores, lo que significa que nunca se ensucian, ya que se limpian constantemente.
Por supuesto, este no es el caso de los motores de inyección directa, ya que el inyector se encuentra dentro de la cámara de combustión y, por lo tanto, nunca pulveriza combustible en la parte posterior de las válvulas de admisión, lo que significa que todo tipo de depósitos de carbono, suciedad y residuos del sistema PCB del vehículo pueden acumularse en la parte posterior de las válvulas de admisión en los motores de inyección directa. Con el tiempo, estos depósitos pueden acumularse tanto en la parte posterior de las válvulas que provocan una distorsión y una reducción de la sección transversal del puerto de admisión, lo que significa que puede entrar menos aire en el motor, lo que por supuesto reduce el rendimiento y o provoca un funcionamiento irregular del motor.
Existen formas de intentar prevenir estos depósitos utilizando recipientes de recogida de aceite o aditivos para combustible, pero los resultados son dispares y la necesidad de limpiar mecánicamente la parte posterior de las válvulas es simplemente inevitable y suele producirse cuando el motor tiene entre 100,000 y 150,000 km. Por supuesto, se trata de un trabajo que requiere mucho tiempo y es costoso y que a veces incluso exige la retirada completa de la culata para acceder a las válvulas y limpiarlo todo. Por supuesto, esto conlleva un aumento de los costes de mantenimiento de los motores de inyección directa, algo que muchos consideran el principal inconveniente de estos motores.
Otro problema potencial de los motores de inyección directa, especialmente los modelos más antiguos, es que la introducción constante de combustible fresco, a veces mal vaporizado, diluye o elimina la capa protectora de aceite de las paredes del cilindro. Por supuesto, esto provocaría un mayor desgaste y una menor longevidad del motor, pero los modelos más nuevos han solucionado este problema cambiando la dirección de la inyección lejos de las paredes del cilindro, lo que significa que la mayoría de los motores nuevos de inyección directa no sufren realmente este problema.
Otro problema al que pueden contribuir los depósitos en la parte posterior de las válvulas es el LSPI o preignición a baja velocidad. Como hemos dicho, la detonación es una combustión anómala que se produce después de que se encienda la bujía. La preignición es una combustión anómala que se produce antes de que se encienda la bujía y en la mayoría de los casos es peor y más daína que la detonación, ya que el pistón se mueve hacia la combustión anómala en lugar de alejarse de ella, como en el caso de la detonación.
La proignición a baja velocidad se produce durante los escenarios de bajas revoluciones y mucha carga en el motor. Como dijimos, durante revoluciones bajas del motor, los pistones y los motores de inyección directa tienen problemas para agitar y mezclar la mezcla de aire y combustible, ya que el pistón se mueve lentamente, lo que provoca que queden bolsas de combustible sin quemar flotando la mezcla de aire combustible. Al mismo tiempo, un escenario de alta carga significa que la SU ordenará a los inyectores que inyecten más combustible. En otras palabras, es necesario acelerar a fondo desde unas revoluciones bajas en un motor de inyección directa para crear las condiciones necesarias para el LSPI.
Ahora bien, lo que también tiene que ocurrir es que una partícula de la parte posterior de las válvulas se desprenda y entre en la cámara o que una gota de aceite pase por los anillos del pistón y entre a la cámara. A continuación, esta gota de aceite o partícula puede mezclarse con el combustible sin mezclar, que flota en la mezcla de aire combustible. Y entonces esta nueva mezcla quedará expuesta a la elevada relación de compresión del motor, de inyección directa y de repente, boom, la combinación se autoinflamará antes de que se produzca la chispa, lo que provocará un preencendido. Los resultados suelen ser catastróficos y si el preencendido sigue produciéndose y no se trata, es probable que el motor sufra daños catastróficos y sea necesario reconstruirlo por completo. Por supuesto, los motores con un alto kilometraje son más propensos a esto, ya que tendrán más depósitos en la parte posterior de las válvulas de admisión y también tendrán más desgaste en los cilindros y los anillos de los pistones, lo que facilita que una gota de aceite llegue a la cámara.
Aquí tenemos una vista general de la inyección indirecta y la inyección directa. Y como podemos concluir, ninguna de las configuraciones es realmente ideal. La inyección directa puede mejorar el rendimiento, reducir el consumo de combustible y mejorar las emisiones, pero a costa de un mayor mantenimiento y algunos problemas potenciales.
Ante los inconvenientes de ambas configuraciones y la necesidad de seguir cumpliendo las normas de eficiencia y emisiones, los fabricantes de automóviles han decidido combinar la inyección directa y la inyección indirecta en una única configuración, creando así la inyección dual. Curiosamente, la combinación de los dos tipos de inyección acumula las ventajas, pero elimina los inconvenientes. El único gasto es el aumento del número de piezas móviles y los mayores costes de producción, ya que ahora, en lugar de un solo inyector, cada cilindro debe tener dos inyectores, uno directo y otro en el puerto.
Entonces, ¿cómo funciona la inyección dual? Si viste este video, probablemente ya pueda adivinar. Abajo régimen del motor vamos a confiar en las buenas propiedades de vaporización del combustible y homogeneización del aire y el combustible de la inyección de puerto, lo que significa una buena combustión y una reducción de las emisiones a cualquier régimen. También significa que estamos rociando combustible en la parte posterior de las válvulas de admisión, lo que se traduce en la ausencia de depósitos sin aumento de los costes de mantenimiento y con una reducción del riesgo de proignición a baja velocidad.
A medida que aumentan las revoluciones por minuto y la velocidad del pistón, entra en juego la inyección directa. Las altas velocidades del pistón permiten una buena mezcla de aire combustible y la gran precisión de la inyección directa nos permite aumentar la relación de compresión del motor, lo que mejora el rendimiento y la eficiencia al mismo tiempo que se reducen las emisiones y el consumo de combustible a altas revoluciones.
¿Quieres acelerar al máximo y mantener altas revoluciones? No hay problema. Cuando la inyección directa se queda sin tiempo para hacer su trabajo, la ESU simplemente puede ordenar a los inyectores del puerto que se reincorporen al juego cuando el motor alcance el límite de revoluciones. Estos inyectores suministrarán el combustible adicional que la inyección directa no tiene tiempo de suministrar y volá. Tendrás todo el combustible que necesitas a cualquier régimen de revoluciones, además de todas las ventajas y ninguna de las desventajas, razón por la cual cada vez más fabricantes están incorporando la inyección dual en sus motores.
Y ahí lo tienes, algo que espero que de una visión general y completa de los tres tipos diferentes de tecnologías de inyección de gasolina. Espero que hayas disfrutado de este video y que hayas aprendido algo en el proceso o quizá hayas encontrado respuesta a alguna pregunta que tuvieras sobre este tema. Como siempre, muchas gracias por ver y nos vemos pronto con más cosas divertidas y útiles en el canal de D4A.