Evolución de los sistemas de inyección en motores diesel de automóviles. Common rail

Las crecientes exigencias en los motores diesel respecto al incremento de prestaciones, reducción de ruido, disminución del nivel de contaminación y reducción de consumo llevaron a los fabricantes de automóviles a diseñar sistemas cada vez mas sofisticados y eficaces
En 1986 se fabrico el primer automóvil diesel de inyección directa del mundo, el Croma TDI. de Fiat Este fue el primer paso hacia este tipo de motores diesel que tenían una mayor eficacia de combustión y podían garantizar mayores prestaciones y menores consumos simultáneamente. Quedaba un problema: el ruido excesivo del propulsor a bajos regímenes de giro.
Para tratar de resolver este problema comienza el estudio de un sistema de inyección directa más evolucionado, capaz de reducir radicalmente los inconvenientes del excesivo ruido de combustión.

Evolución de los sistemas
El sistema clásico de alimentación de los motores diesel ligeros habian sido las bombas lineales (bosch y cav) que fueron adaptaciones de los vehículos pesados a los semi pedos y de estos a los automóviles. Posteriormente se introducen las bombas rotativas de émbolos radiales (tipo dpa dpc dps) y de embolo axial (tipo ve) que permiten aumentar el numero de rpm del motor haciéndolo mas ágil y aumentando sus prestaciones.
Hoy, las bombas lineales o rotativas han sido ampliamente superadas en potencia, consumos y emisiones contaminantes por los sistemas empleados en la actualidad, que adoptan rotativas de gestión totalmente electrónica. Recientemente, para mejorar las prestaciones de estas bombas y con el imperativo de ajustarse a la normativa medioambiental, se han desarrollado una serie de mecanismos de control electrónico adaptados que gestionan su control de forma cada vez mas eficiente: control electrónico de avance a la inyección, de caudal de inyección o ambos al mismo tiempo. También se han desarrollado bombas capaces de suministrar presiones de inyección mas elevada y diferentes sistemas que combinan todas estas posibilidades.
Regresemos a los primeros años de desarrollo que evoluciono en la que hoy conocemos como sistema common rail.
Después de diferentes análisis, los técnicos encontraron que los diferentes sistemas de inyección no permitían gestionar la presión de inyección de modo independiente respecto al número de revoluciones y a la carga del motor, ni permitían la preinyección. Esta búsqueda llevará algunos años más tarde a sistemas de control totalmente elctronicos. El primero fue el Unijet, alcanzando mientras tanto otras ventajas importantes en materia de rendimiento y consumo.
El principio teórico de common rail como idea era simple, nació del trabajo de los investigadores de la Universidad de Zurich y nunca aplicado anteriormente en un automóvil. Con la introducción de gasoil en el interior de un depósito, se genera presión dentro del mismo depósito, que se convierte en acumulador hidráulico ("rail"), es decir, una reserva de combustible a presión disponible rápidamente.
Hablar de common-rail es hablar de Fiat ya que esta marca es la primera en aplicar este sistema de alimentación en los motores diesel de inyección directa.
Unas de las piezas mas características que diferencian este sistemas de inyección con el resto es el rail (del cual recibe su nombre) en el que se encuentra el combustible a alta presión para abastecer a los inyectores, asegurando el mantenimiento con toda esa presión.

El sistema ofrece una serie de ventajas con respecto a los sistemas de alimentación tradicionales, que se traduce en una mayor potencia especifica, un menor consumo y menor emisión de gases contaminantes; además, los motores resultan menos ruidosos.
En 1990, comenzaba la prefabricación del Unijet, el sistema desarrollado por Magneti Marelli, sobre el principio del "Common Rail". Una fase que concluía en 1994, cuando Fiat decidio unirse en este proyecto a Robert Bosch, máxima competencia en el campo de los sistemas de inyección para motores diesel, para la parte final del trabajo, es decir, la conclusión del desarrollo y la industrialización.
En 1997, llegó al mercado otro automóvil de récord: el Alfa 156 JTD equipado con un revolucionario turbodiesel que aseguraba resultados impensables hasta ese momento. Los automóviles equipados con este motor son increíblemente silenciosos, tienen una respuesta tan brillante como la de los propulsores de gasolina y muestran, respecto a un motor de precámara análogo, una mejora media de las prestaciones del 12%, además de una reducción de los consumos del 15%.
En los motores de tipo "Common Rail" (Unijet) se divide la inyección en dos fases una preinyección, o inyección piloto, que eleva la temperatura y la presión en el cilindro antes de hacer la inyección principal para permitir así una combustión más gradual, y resultando un motor más silencioso.
A partir de este sistema se desarrolla el sistema Multijet, que aprovecha el control electrónico de los inyectores para efectuar, durante cada ciclo del motor, un número mayor de inyecciones respecto a las dos del Unijet.
De este modo, la cantidad de gasóleo quemada en el interior del cilindro sigue siendo la misma, pero se reparte en más partes; de esta manera, se obtiene una combustión más gradual.
El sistema se basa en las características del diseño de la centralita de control y de los inyectores que permiten realizar una serie de inyecciones muy próximas entre sí, lo que asegura un control más preciso de las presiones y de las temperaturas desarrolladas en la cámara de combustión y un mayor aprovechamiento del aire introducido en los cilindros.

Entre sus principales ventajas podríamos destacar:

Aumento de la capacidad de respuesta, debido a la rapidez de adaptación del sistema.

Reducción del consumo, por la precisión en el dosificado.

El sistema reduce el ruido del motor, gracias a su facilidad y rapidez para controlar la apertura y cierre del inyector y a la posibilidad de realizar varias inyecciones por ciclo de trabajo del pistón. Ello permite realizar una pre-inyección (que disminuye la violencia de la explosión y mejora la combustión principal), una inyección principal y una post-inyección.

Además, ofrece una alta presión, disponible desde regimenes bajos o carga parcial. El sistema es capaz de suministrar presiones cercanas a los 1.400 bares de presión de inyección, frente al tope de los sistemas tradicionales, que en la mayoría de los casos rondaba en 130 bares, y en pocas ocasiones alcanzaba los 300 bares

La dosificación es mas exacta, ya que controla el caudal de inyección con gran precisión, gracias a la unidad de control, basada en los parámetros de ese motor y la información de un gran numero de sensores que informan continuamente de las condiciones de funcionamiento que pueden influir en la dosificación del caudal.

El control de las emisiones de Hollín, CO (monóxido de carbono), HC (hidrocarburos) y NOx (óxidos de nitrogeno) se consigue con la pulverización muy fina, obtenida gracias a la presión de funcionamiento (HC), su dosificación muy ajustada (CO), un exceso de aire entre un 10 y un 40 % (Hollín) y una inyección retardada o post-inyección, con un sistema de adicional de recirculación de gases de escape que limitan las temperaturas excesivas (NOx).

Las técnicas de fabricación de las piezas, como el diseño de la cabeza del pistón, la disposición y el numero de válvulas y la disposición del inyector (disposición, numero, tamaño y disposición de los orificios) y colectores, contribuyen a la optimización del sistema.

Norberto Sánchez
Técnico Constructor Naval
Jefe de Máquinas