Con unos 40 millones de motores de gasolina de inyección directa (GDI) que se espera que se vendan para el 2025, puede resultar sorprendente saber que estas unidades emiten partículas finas más peligrosas que un motor de inyección de combustible (PFI) de puerto, o incluso el último motor pesado. diesel de servicio equipados con un filtro de partículas.
El aumento potencial en el mercado significa que las emisiones de partículas GDI, aunque bajas en comparación con las de un diésel sin filtrar, ahora están bajo el escrutinio de los reguladores y fabricantes.
Para reducir estas emisiones y mejorar el rendimiento general, los ingenieros están estudiando nuevos diseños de combustión y conceptos de ingeniería, incluido el aumento de la presión del combustible, los combustibles alternativos y el control de las emisiones de escape.
Según Matti Maricq, líder técnico en ingeniería química y emisiones después del tratamiento en el Centro de Investigación e Innovación de Ford en Dearborn, la inyección de combustible directamente en el cilindro permite una explosión de combustión limpia que desperdicia poco combustible y proporciona mayor potencia.
Durante este proceso, la gasolina se rocía directamente donde la cámara de combustión está más caliente (en lugar de en la entrada de aire), lo que permite una combustión más completa, uniforme y delgada.
Los GDI de combustión más limpia emiten partículas nocivas.
Pero debido a la volatilización incompleta del combustible, las zonas parcialmente ricas en combustible y la “humectación” de las superficies de los pistones y cilindros, los motores GDI producen partículas no deseadas. La mayoría de las emisiones ocurren típicamente durante el arranque en frío y condiciones transitorias de carga alta durante la fase de calentamiento, pero esto puede variar según la carga, la fase del ciclo de conducción y las demandas del conductor.
Si bien los críticos “ecológicos” siguen siendo escépticos sobre los llamados métodos de “gestión del motor”, creyendo que no son fiables en comparación con los filtros de escape, la mayoría de los fabricantes de equipos originales y proveedores de componentes esperan que el diseño de combustión y los cambios de ingeniería resulten más rentables y, finalmente, igualmente eficaces.
El desarrollo actual indica que una mayor presión de combustible, posiblemente de hasta 40 MPa, junto con los nuevos inyectores de ultraprecisión mejorarán enormemente los futuros sistemas GDI. Para optimizar aún más el sistema, los ingenieros también continuarán mejorando la sincronización, la orientación, la medición y la atomización de los inyectores.
En un estudio reciente, publicado por la SAE, se estableció que un aumento en la presión del sistema de combustible mejoró la homogeneidad de la mezcla y redujo la llama de difusión de la punta, lo que redujo significativamente las emisiones de partículas bajo combustión homogénea en un motor GDi.
Además, como resultado del movimiento mejorado de la carga de admisión a presiones de combustible de entre 20 MPa y 40 MPa, se logró una reducción adicional de las emisiones de partículas.
Como indican los datos de combustión, un aumento en la presión del combustible tiene un impacto significativo en la reducción de las emisiones de combustión, así como en la mejora del consumo de combustible.
Sin embargo, para que un sistema GDi funcione de manera óptima, es importante que, durante la fase de diseño y prueba, la presión del combustible en el riel común (CR) se mida correctamente para que la ECU pueda mapearse en consecuencia.
La medición de la presión del combustible CR es clave para reducir las emisiones de partículas.
La presión de inyección directa se mide con sensores y las señales se utilizan para determinar la velocidad y / o el volumen de la bomba.
La mayoría de los sistemas de inyección directa utilizan sensores de presión piezorresistivos en el lado bajo del sistema. El elemento de chip de silicona genera un voltaje eléctrico medible cuando se aplica presión, que aumenta a medida que aumenta la presión.
En el lado de alta presión, los sensores suelen utilizar una membrana metálica en un puente de resistencia. Cuando se aplica presión, el puente genera un cambio en la resistencia que resulta en un cambio en el voltaje aplicado. El módulo de control electrónico (ECM) transforma el voltaje en una presión calculada, generalmente con una precisión de ± 2%.
Para mantener la presión correcta, el ECM pulsa la bomba de baja presión. El sistema normalmente tiene un regulador y no tiene líneas de retorno. Algunos sistemas incluso tienen sensores de temperatura integrados en las líneas que se utilizan para calcular la densidad del combustible para que el ajuste de combustible se pueda ajustar a la cantidad de energía en el combustible.
Para garantizar una medición precisa de la presión de la línea, es importante que se utilicen transmisores de presión de alta precisión para mapear la presión dentro del CR en todas las condiciones de carga y motor. Cualquier error en este proceso puede resultar en una modulación incorrecta de la presión CR que a su vez puede resultar en serias anomalías, como el lavado de cilindros que puede ocurrir si la presión media CR excede la presión de diseño del inyector cuando el suministro de combustible aumenta con cargas elevadas.
Además, con la introducción del ciclo de conducción armonizado, los fabricantes de equipos originales se verán sometidos a una presión renovada para cumplir los objetivos de emisiones establecidos por los reguladores, y los motores de encendido por chispa GDI estarán a la vanguardia de una nueva generación de tecnologías ecológicas. Sin embargo, para que esta tecnología cumpla con la legislación venidera, es necesario reducir las emisiones de partículas, en gran parte mediante el control preciso de la presión del combustible CR.
