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CURSO SISTEMAS DE INYECCIÓN DIESEL CON INYECTOR BOMBA ELECTRÓNICO CON ACCIONAMIENTO MECÁNICO E HIDRÁULICO EUI, HEUI SHAPE \* MERGEFORMAT

GENERALIDADES Las mayores exigencias que imponen cada día las normativas sobre emisiones sonoras y contaminantes de gases de escape en los motores Diesel, hacen necesario el desarrollo de nuevas soluciones técnicas. Por lo que se refiere a los sistemas de inyección directa, una de estas soluciones la constituye el sistema de inyección a alta presión por medio de un inyector bomba como los descritos (Sistema Detroit), al que se añade ahora un mando electrónico. En esta disposición, la bomba, el inyector y una válvula electromagnética constituyen una unidad compacta ubicada en la culata del motor, que puede ser accionada mecánicamente por una leva adicional del eje de levas o accionado hidráulicamente por una bomba de alta presión que es alimentada con aceite, por la bomba del sistema de lubricación del motor. Ambos tipos de inyectores la cantidad de combustible suministrada al motor es controlada electrónicamente por una unidad de control, que es un microprocesador. CLASIFICACIÓN Los inyectores bomba controlados electrónicamente se pueden clasifica en dos tipos, ya mencionados y que se muestran en el siguiente cuadro.

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SISTEMA DE INYECCIÖN DIESEL CON INYECTOR ELECTRONICO CON ACCIONAMIENTO MECÁNICO EUI, UIS.

BOMBA

Los sistemas de inyección EUI o UIS (Unit Inyector System), como el que se muestra en la figura #1 muestra la instalación de este tipo de inyector sobre la culata del motor, posicionado en el centro de la cámara de combustión que se forma en el pistón (inyección directa) de forma similar a la adoptada por los inyectores bomba de accionamiento mecánico.

Fig.# 1 Sistema con Inyector Bomba Electrónico EUI , UPS Este inyector bomba con mando electrónico está accionado por un balancín con rodillo que recibe movimiento directo del eje de levas, que en el caso de la figura esta en la culata, también se puede encontrar en el block. En el cuerpo del inyector esta rodeado por una galería, a la cual llega el combustible por unos conductos labrados o insertados en la culata, desde los que pasa a la zona de alojamiento del inyector saliendo por el conducto de retorno hacia el depósito. La estructura de todos los componentes del sistema de mando es especialmente robusta para soportar los esfuerzos a que estarán sometidos en el funcionamiento, debido a las altas presiones de trabajo. La leva de accionamiento del inyector bomba está integrada en el árbol de levas del motor (Figura # 2) y dispone un perfil específico para la función que ha de desempeñar, con un flanco de ataque muy pronunciado. Esta característica permite que el émbolo se oprima a alta velocidad, generándose rápidamente una alta presión de inyección. El flanco de salida es muy suave, desvaneciéndose poco a poco hasta el comienzo del flanco de ataque.

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Fig. # 2 Leva y balancín de accionamiento de un inyector bomba EUI, UPS El sistema bomba-inyector UIS de Bosch, se incorporo en el vehículo Volkswagen Passat a finales de 1998 con una nueva generación de motores diesel de inyección directa, que esta teniendo una gran aceptación debido a las altas prestaciones que dan los motores alimentados con este sistema de inyección (ejemplo los 150 CV de potencia que alcanzan motores con una cilindrada menor de 2000 cc), así como alcanzar unos consumos bajos y una reducción en las emisiones contaminantes. Este sistema de inyección se utiliza tanto en motores de vehículos livianos como en industriales. La utilización de un sistema donde se une la generación de alta presión con la inyección en una unidad independiente para cada cilindro, no es nueva, ya que los americanos lo utilizaban sobre todo en vehículos industriales desde hace mucho tiempo. El accionamiento de las unidades bomba-inyector viene dado por un árbol de levas que se encarga además de dar el movimiento necesario para que la bomba genere presión, sirve también para determinar el momento exacto de la inyección en cada cilindro. El funcionamiento del sistema bomba-inyector mecánico es similar a la forma de trabajar de las bombas de inyección en línea, muy utilizada en vehículos industriales. Los sistemas UIS, EUI son sistemas con una unidad de inyección por cada cilindro del motor. Esto le permite una mayor flexibilidad a la hora de adaptarse al funcionamiento cambiante del motor, mucho mejor que los motores que están alimentados por "bombas rotativas" o "bombas en línea". El sistema UIS, EUI, presenta frente a las inyecciones convencionales una serie de ventajas, de entre las cuales se destacan:

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Diseño compacto Mayor campo de aplicación (Para turismos y vehículos industriales ligeros con potencia de hasta 30 KW/cilindro, para vehículos industriales pesados de hasta 80 KW/cilindro. Para locomotoras y barcos se emplean bombas de inyección individuales para motores con potencias de hasta 500 KW/cilindro) (Ver figuras 3 y 4) 4

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Alta presión de inyección hasta 2050 bar. Preinyección separada de la inyección principal. Reducida sonoridad de combustión. Comienzo de la inyección variable Bajas emisiones de gases contaminantes.

Fig. # 4 Aplicación del sistema UIS, en un Motor Detroit.

Fig.# 3 Aplicación del sistema UIS, en un Motor Cummins

ESTRUCTURA DEL SISTEMA UIS El sistema de alimentación de alimentación de combustible UIS, EUI, esta formado por los siguientes sistemas:  Sistema de combustible o baja presión  Sistema de inyección o alta presión  Sistema de control electrónico (sensores,UCE,actuadores)  En la figura # 6 , se pueden observar los componente de un sistema de inyección electrónico UIS, aplicado a un vehículo industrial. SISTEMA DE COMBUSTIBLE En los sistemas de inyección UIS, EUI , es preciso hacer llegar el combustible hasta las cámaras labradas en la culata, en la que se ubican los inyectores bomba. Para ello se utiliza un circuito de alimentación de combustible de tipo convencional en el que una bomba de paletas o engranaje accionada por la distribución del motor impulsa el combustible hacia los inyectores, circulando de manera continua por las galerías de la culata y retornando al depósito. Su misión es almacenar el combustible necesario, filtrarlo y poner a disposición del sistema de inyección una cierta presión de alimentación en todas las condiciones de 5

servicio. En algunas aplicaciones se refrigera adicionalmente el combustible de retorno.

Fig.#6 Esquema general del Sistema Inyector Bomba UIS para vehículos industriales A. Alimentación de combustible (Baja Presión) 1. Deposito de combustible con filtro previo. 2. Bomba de combustible con válvula de retención y bomba manual de alimentación. 3. Filtro de combustible. 4. Válvula limitadora de presión 5. Enfriador de combustible. B Sistema de inyección

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6. Inyector Bomba electrónico UIS, EUI, con mecanismo de leva y balancín.

C Sistema de control electrónico 10. Sensor de temperatura de combustible. 11. Unidad de control electrónico. 12. Sensor del pedal del acelerador 13. Sensor de velocidad de marcha 14. Contacto de freno. 15 Sensor de temperatura del aire 16 Sensor r.p.m. del eje de levas 17 Sensor de temperatura del aire de admisión 18 Sensor de presión de alimentación 19 Sensor de temperatura del motor (refrigerante) 20 Sensor de r.p.m. del cigüeñal D Periferia 21Instrumento combinado con salida de señales para consumo de combustible, r.p.m., etc. 22 Unidad de control de tiempo de incandescencia 23 Bujía de espiga incandescente 24 Interruptor de embrague 25 Unidad de operación para el regulador de la velocidad de marcha 26 Compresor aire acondicionado 27 Unidad de operación para compresor de aire acondicionado 28 Chapa de contacto 29 Interfaz de diagnóstico 30 Batería 31 Turbosobrealimentador 32 Atuador de presión de sobre alimentación 33 Bomba de depresión 34 Motor Diesel CAN Controller Area Network (Bus de datos en serie en el automóvil)

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Componentes del Sistema de Baja Presión

_ ECM (ADEM II) _ Tanque de Combustible _ Regulador de Presión _ Filtros Secundarios _ Separador de Agua / Filtro Primario _ Inyectores _ Bomba de Transferencia Componentes del COMPONENTES DEL SISTEMA DE COMBUSTIBLE La alimentación de combustible (Ver figura # 7) abarca los siguientes componentes esenciales:

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1. 2. 3. 4.

Depósito de combustible Filtro Primario Enfriador de la unidad de control Bomba previa con válvula de retención 5. Filtro secundario 6. Bomba de combustible 7. Válvula reguladora de presión 8. Galería de combustible 9. Enfriador de combustible Fig. 7 Sistema de combustible La figura # 8 muestra el esquema del circuito de combustible para un vehículo liviano, en el que puede verse la ubicación de la válvula limitadora de presión inmediatamente después del filtro y la de retención en el retorno, así como un conducto de by-pass que facilita la purga de aire en caso de vaciado del circuito. También en el circuito de retorno se ubican el sensor de temperatura del combustible y un radiador para enfriar el combustible caliente que regresa de los inyectores, en los cuales alcanza temperaturas de hasta 150ºC, que deben reducirse hasta menos de 80ºC antes de retornar el combustible nuevamente al depósito.

Fig. 8 Circuito de combustible para vehiculo liviano FITROS DE COMBUSTIBLE Tiene la misión de reducir las impurezas del combustible atribuibles a partículas. Asegura, por lo tanto, una pureza mínima del combustible delante de los componentes sensibles al desgaste. A parte de ello es necesario que el

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filtro de combustible cuente con una capacidad suficiente de acumulación de partículas para garantizar unos intervalos de mantenimiento suficientemente amplios. Si un filtro queda obstruido, se reduce el caudal suministrado de combustible, disminuyendo la potencia del motor. Los sistemas de inyección electrónicos Diesel son de gran precisión y reaccionan de forma muy sensible frente a la mínima cantidad de impurezas. Por esta razón rigen unas exigencias muy elevadas en cuanto a la protección contra el desgaste para garantizar la fiabilidad, el consumo de combustible y los valores límite para las emisiones durante toda la vida útil del vehículo (1000000 de KM en el caso de los vehículos industriales) Para satisfacer unas exigencias especialmente altas de protección contra el desgaste y asegurar un intervalo de mantenimiento adecuado, se emplea un sistema de filtrado con un filtro fino y un filtro fino, como muestran las figuras # 7 y 8., la figura #9 muestra los filtros empleados en los sistemas EUI, UIS

Fig. 9 filtros de combustible UIS, EUI BOMBA DE COMBUSTIBLE Esta bomba permite trasferir el combustible desde el depósito en la cantidad suficiente para los requerimientos del sistema de inyección. El sistema EUI, UIS, dependiendo del tipo de vehículo pueden emplear bombas de combustible de engranajes, paleta o eléctrica. La figura #10 muestra una bomba de engranaje, que es muy utilizada en los vehículos pesados e industriales.

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Fig.# 10 Bomba de engranajes GALERIA DE COMBUSTIBLE Es una cavidad (Figura # 11) que se encuentra en la culata que distribuye uniformente el combustible y al misma temperatura entre los inyectores de forma que este asegurada la marcha suave del motor.

Fig. # 11 Galería de Combustible VÁLVULA REGULADORA DE PRESIÓN

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La válvula reguladora de presión (figura # 12) también llamada válvula de descarga esta montada en el retorno de combustible. Su misión es asegurar que en cualquier estado de servicio haya una presión suficiente en la parte de baja presión de la unidad bomba-inyector (UIS) y con ello el uniforme llenado de las unidades inyectoras. El embolo acumulador (3) abre a una presión de rotura de aprox. 3...3,5 bar. El asiento cónico (1) libera el volumen acumulado (2). A través de la junta del intersticio (4) puede fluir muy poco combustible de fuga. Según la presión del combustible, el muelle de compresión (5) será comprimido en grado mayor o menor. De este modo se modifica el volumen acumulador, pudiéndose compensar las variaciones menores de la presión. Con una presión de apertura 4...4,5 bar, se abrirá también la junta de intersticio. La válvula se cerrara al disminuir la presión del combustible. Para el ajuste previo de la presión de apertura hay dos tornillo (6) con variaciones del escalonamiento del tope elástico.

Fig. # 12 Válvula Reguladora de Baja Presión REFRIGERARADOR DE LA UNIDAD DE CONTROL Las unidades UIS, EUI para vehículos industriales necesitan un refrigerador de la unidad de control si dicha unidad está montada junto al 12

motor. El combustible sirve de medio refrigerante. Éste fluye a lo largo de la unidad de control como muestra la figura #13, a través de canales de refrigeración y absorbe el calor del sistema electrónico.

Fig. # 13 Refrigeración de la UCE

REFRIGERADOR DE COMBUSTIBLE Debido a la presión elevada en el inyector UIS, EUI , especialmente en los vehículos livianos, el combustible se calienta tan intensamente que requiere ser enfriado, antes del retorno, para proteger el depósito de combustible y el sensor de nivel de llenado. El combustible fluye a través del refrigerador o intercambiador de calor 3 (Ver figura #14) y cediendo el calor al refrigerante del motor. El circuito de refrigeración de combustible está separado del circuito de refrigeración del motor 6 debido a que con el motor caliente la temperatura del líquido refrigerante es demasiado elevada como para poder enfriar el combustible. Cerca del depósito de compensación 5 el circuito de refrigeración del combustible comunica con el circuito de refrigeración del motor para que se pueda llenar el circuito de refrigeración del combustible, compensándose así las variaciones de volumen a causa de oscilaciones de la temperatura.

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Fig. # 14 Sistema de Refrigeración de Combustible

SISTEMA DE INYECCIÓN CON INYECTOR BOMBA UIS, EUI La unidad Inyector Bomba UIS, EUI tiene la misión de inyectar el combustible, en todas las áreas de servicio y durante toda la vida útil, en el cilindro del motor en el momento determinado por la unidad de control en una cantidad exacta y a la presión necesaria. A su vez sustituye a la combinación de porta inyector de los sistemas convencionales de inyección. Debido a ello no requiere de tuberías de alta presión, lo que tiene un efecto positivo en el comportamiento del sistema de inyección. MOTAJE Y ACCIONAMIENTO

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Por cada cilindro del motor hay una unidad Inyector Bomba (Ver figura # 15) montada directamente en la culata. El inyector integrado en la unidad Inyector Bomba penetra en la cámara de combustión. El eje de levas del motor tiene para cada unidad UIS, EUI una leva de accionamiento. La carrera de leva es trasmitida por un mecanismo de balancín al émbolo de la bomba. En consecuencia, éste sube y baja.

Fig. # 15 Montaje y Accionamiento de Unidad EUI, UPS Además de la activación eléctrica, el comienzo de la inyección y el caudal de inyección dependen de la velocidad actual del émbolo de la bomba, la cual es determinada por la forma de la leva. Por ello el árbol de levas debe estar fabricado con precisión. Las fuerzas que atacan durante el servicio lo incitan a oscilaciones giratorias, lo que puede ejercer una influencia negativa en la característica de inyección y la tolerancia de caudal. Se requiere un dimensionado rígido del accionamiento de las bombas individuales (accionamiento del eje de levas, eje de levas, mecanismo de balancín) para la reducción de las oscilaciones. COMPONENTES El inyector bomba está dividido en tres secciones fundamentales (Figura # 16) la válvula solenoide o electroválvula, el elemento de bombeo y la tobera. El émbolo de bombeo se acciona en cada ciclo por la leva y mecanismo de balancín contra la fuerza de un resorte antagonista que tiende a mantenerlo en su posición de reposo. En la acción de bombeo se impulsa el combustible contenido en la cámara. La tobera es de diseño análogo al de los inyectores convencionales y se abre por presión inyectando el combustible finamente

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pulverizado en el cilindro. Generalmente dispone de cuatro o cinco orificios de salida. La electroválvula está controlada directamente por la central electrónica, que determina las modalidades de inyección en base a la señal de mando.

Fig.# 16 Inyector Bomba electrónico EUI , UIS Caterpillar

GENERACIÓN DE ALTA PRESIÓN Los componentes principales de la generación de alta presión son el cilindro que forma parte del cuerpo de del inyector, el émbolo y el resorte de reposición, elementos que se muestran en la figura # 17.

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Fig. # 17 Elemento de Bombeo de Unidad EUI, UIS ELECTROVÁLVULA O SOLENOIDE DE ALTA PRESIÓN La válvula solenoide de alta presión tiene la misión de determinar el momento de inyección y la duración de inyección. Consta (Ver figura # 18) de los siguientes componentes, Solenoide o Bobina, armadura o núcleo, cuerpo de la válvula, válvula y resorte de la válvula.

Fig. # 18 Solenoide o elecroválvula INYECTOR El inyector (Ver figura # 19) pulveriza y distribuye el combustible exactamente dosificado en la cámara de combustión y conforma así el desarrollo de la inyección. El inyector está adosado al cuerpo de la unidad inyector bomba EUI, UIS mediante una tuerca de fijación.

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Fig. # 19 Componentes de inyector de una Unidad EUI, UIS FUNCIONAMIENTO DE UN INYECTOR ELECTRONICO EUI, UIS El funcionamiento de un inyector bomba electrónico se dividir en cuatro fases, como muestra la figura # 20.

Fig. # 20 Fases de Funcionamiento de un Inyector Bomba Electrónico UIS

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Las cuatro fases de funcionamiento que se describen en la figura # 20, son las siguientes: a) b) c) d)

Fase de llenado o carrera de llenado Fase de derrame o carrera previa Fase o carrera de inyección Fase de reducción de la presión o carrera residual

FASE DE LLENADO O CARRERA DE LLENADO El émbolo de la bomba (2) es movido hacia arriba mediante el muelle de reposición (3). el combustible, que se encuentra permanentemente bajo sobre presión, fluye desde la parte de baja presión de la alimentación de combustible, a través de los taladros de entrada integrados en el bloque del motor y el canal de entrada de combustible, a la cámara de baja presión (6) también llamada cámara de electroválvula. La electroválvula está abierta. El combustible llega a través de un taladro de comunicación a la cámara de alta presión (4, llamada también recinto del elemento). FASE DE DERRAME O CARRERA PREVIA El émbolo de bomba baja debido al giro de la leva de accionamiento (1). La electroválvula está abierta y el combustible es presionado por el émbolo de bomba, a través del canal de retorno de combustible, a la parte de baja presión de la alimentación de combustible. FASE O CARRERA DE INYECCIÓN La unidad de control suministra corriente a la bobina del electroimán (7) en un momento determinado, de modo que la aguja de la electroválvula es atraída al asiento (8), cortándose la comunicación entre la cámara de alta presión y la parte de baja presión. Este momento se denomina "comienzo de inyección eléctrico". El cierre de la aguja de la electroválvula se traduce en un cambio de la corriente de la bobina. Esto lo detecta la unidad de control (detección bip). De este modo se puede averiguar el comienzo de suministro real, teniéndolo en cuenta para calcular el siguiente proceso de inyección. La presión del combustible en la cámara de alta presión aumenta debido al movimiento del émbolo de la bomba. Debido a ello aumenta también la presión en el inyector. Al alcanzarse la presión de apertura de inyector de aprox. 300 bar se levantará la aguja del inyector (9) y el combustible se inyecta en la cámara de combustión ("comienzo de inyección real") o comienzo de alimentación. A causa del elevado caudal de alimentación del émbolo de bom...