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MECANICAAUTOMOTRIZ-JULIACA
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SISTEMA DE INYECCIÓN ELECTRÓNICA – COMMON RAIL
“Common Rail”, significa “Tubo Común”, cuyo concepto es un tubo
acumulador de combustible a alta presión, común para todos los
inyectores.
El sistema COMMON RAIL o riel común suministra el combustible a alta
presión en inyección directa en la cámara de combustión de la siguiente
forma:
La presión reinante proviene de la bomba de suministro previo, ubicada
en el tanque de combustible, la cual envía dicha presión ala bomba de
alta presión situada en el mismo lugar donde antes se incorporaba la
bomba de inyección convencional. Esta bomba de alta presión genera un
promedio de hasta 1400bar. De presión en el sistema de alimentación de
combustible. Esta presión es acumulada en el rail de un tubo forjado para
su distribución a cada uno de los cilindros del motar a través de los
electroinyectores.
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COMPONENTES DEL SISTEMA COMMON RAIL
1. Sensor de rotaciones
2. Unidad de control electrónico
3. Tubos de alta presión
4. Tubo Rail
5. Inyector
6. Sensor de presión y temperatura del aire
7. Sensor de temperatura del líquido refrigerante
8. Sensor de presión y temperatura combustible
9. Bomba de alta presión
10. Sensor de fase del motor
11. Sensor de altitud
12. Sensor de pedal del acelerador
13. Válvula reguladora de presión
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CIRCUITOS DEL SISTEMA DE COMMON RAIL
Para el mejor estudio del sistema common rail el circuito se divide en tres partes
principales los cuales son:
- Circuito de baja presión.
- Circuito de alta presión.
- ircuito de retorno
COMPONENETES DEL CIRCUITO DE BAJA PRESION
BOMBA DE COMBUSTIBLE BAJA PRESION
La bomba de combustible previo en el sistema common rail, es similar al de
inyección nafta, el mismo que esta incorporado en el tanque de combustible
para su mejor refrigeración y presión simultanea.
FUNCIONAMIENTO
La unidad de control obtiene la primera señal de la llave de ignición y luego del
sensor del régimen, esta señal es procesada y envía orden al relee de la bomba
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de combustible, para activar el sistema de baja presión proporcionando
combustible (aprox. 6 a 7 bar.) al circuito de la bomba de alta presión.
La bomba esta compuesta por un filtro para purificar el combustible, una
envoltura de plástico en forma cilíndrica, una válvula de alivio, un motor con
campo magnético e inducido, y una turbina de aspiración de combustible.
La presión reinante en este sistema es constante durante la marcha del motor.
No obstante, esta presión debe mantenerse en el circuito cuando el motor no
esta operando, controlado por una válvula de retención incorporada en la salida
de la bomba.
FILTRO DE COMBUSTIBLE
El filtro de combustible es un componente importante en el filtrado del
combustible del sistema de inyección, para poder filtrar las impurezas que
pueden causar daños a los componentes de la bomba, a la válvula de presión y
a los inyectores.
El combustible puede contener agua en forma emulsionada o no, y cuando esa
agua alcanza el sistema de inyección, pueden ocurrir daños causados por la
corrosión.
El sistema de inyección Common Rail necesita un filtro de combustible con
elemento de papel filtrante y colector de agua. Se debe drenar el agua a
intervalos regulares.
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En este mismo elemento también se regula la presión del circuito de baja
presión para tener una alimentación con presión constante.
CALENTADOR DE COMBUSTIBLE
Este es un accesorio para calentar combustible, que esta conectado a la
entrada de combustible del filtro, con esto se busca una densidad constante
desde el momento de arranque del motor, este calentador actúa de la siguiente
forma:
- A una temperatura menor de 10 ºC se calienta todo el combustible
- A una temperatura de 10ºC - 20ºC solo la mitad de combustible
- A una temperatura mayor de 20ºC nada de combustible.
- Las cantidades de combustible que se va calentar es controlado por una
válvula vi metálica que actúa según la temperatura del combustible.
COMPONENTES DEL CICUITO DE ALTA PRESION
BOMBA DE ALTA PRESION
La bomba de alta presión esta ubicada en el compartimiento del motor,
generalmente en el mismo lugar que se instala la bomba de inyección rotativa
convencional.
Esta bomba de alta presión obtiene el combustible previo de baja presión y
luego comprime el combustible al common rail para la inyección y suministrar
un caudal suficiente para todos los regimenes del motor.
El árbol de accionamiento de la bomba de alta presión es impulsado por el
motor a través de acoplamiento tipo engranaje, el mismo esta conectado
mediante una correa dentada de distribución que gira a la mitad de la
revoluciones del motor.
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Esta bomba se lubrica y refrigera por el combustible. El mismo es impulsado por
la bomba de suministro previo a través de una válvula de seguridad hacia el
interior de la bomba de alta presión
COMPONENTES DE LA BOMBA DE ALTA PRESION
1. Bomba de alta presión2. Bomba de combustible
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3. Válvula reguladora de presión4. Eje de accionamiento5. Excéntrica6. Elemento bombeador c/ resorte7. Conexión de retorno8. Conexión de alta presión9. Conexión de avance10. Regulador de presión11. Carcasa12. Resorte de presión13. Buje flotante
FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA DE ALTA PRESION
Al descender el embolo de la bomba, se abre la válvula de admisión y succiona
el combustible en la cámara del elemento como se observa en la carrera de
aspiración.
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En la fase de punto muerto superior del pistón se cierra la válvula de admisión y
el embolo en forma conjunta.
En la carrera de ascenso, el pistón comprime el combustible en la cámara del
elemento, en ese instante la presión en dicha cámara, es igual que la presión
del acumulador de alta presión, abriendo la válvula de salida e impulsando el
combustible hacia el rail en carrera de impulsión.
En el instante en que el punto muerto superior cierra su válvula de salida por la
caída de presión, la bomba de alta opera de acuerdo al régimen del motor,
manteniendo activo al acumulador de alta presión rail para su distribución de
combustible según las ordenes de la unidad de control electrónico.
ELECTROVALVULA REGULADORA DE PRESION
La electroválvula reguladora de presión esta incorporado en la bomba de alta
presión.
La válvula reguladora de presión se compone de un electro imán, un núcleo de
hierro y una válvula de bola metálica.
Un resorte empuja ala bola de la válvula contra su asiento en la entrada de alta
presión en el electroimán.
Este último ejerce una fuerza adicional hacia la válvula de bola metálica a
través de su núcleo.
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FUNCIONAMIENTO
Cuando la presión excede el máximo de 1450 bar. en el tubo Rail, la válvula de
seguridad se abre y el combustible excedente retorna para el depósito. La
válvula es un componente que trabaja mecánicamente y consiste de una
carcasa con rosca externa para fijación al tubo Rail, una unión al tubo del
retorno, un pistón móvil, una aguja y un resorte. El cuerpo tiene un orificio de
unión con el tubo Rail, que se cierra en la etapa de sellado de la extremidad
cónica del pistón. En la presión normal de servicio hasta 1350 bar. un resorte
presiona al pistón para la cara de sellado de modo que el combustible en el
tubo Rail permanece cerrado. Solamente cuando se supera la presión máxima
del sistema, el pistón se abre para aliviar el exceso de presión, es decir, a 1450
bar.
Cuando la presión cae entre 1400 y 1350 bar. Dentro del Common Rail, la
válvula se cierra, y mantiene la alta presión normal en el sistema para
inyección.
BOMBA DE ALIMENTACION COMBUSTIBLE
La bomba de engranaje es una
bomba con un funcionamiento
puramente mecánico.
La bomba de alimentación
mantiene la bomba de alta
presión siempre alimentada en
cualquier condición.
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LA bomba de engranaje está directamente conectada à bomba de alta presión o
en el bloque del motor.
Ambas las bombas son accionadas por el eje.
CONSTRUCCIÓN
La bomba alimentadora es formada por dos engranajes dentro de una carcaza.
Una de los engranajes es accionada por el eje del motor.
FUNCIONAMIENTO
Girando los engranajes, el combustible es succionado entre los lóbulos y
atraves de las cámaras es conducido para el lado de generación de presión.
Entonces, penetra en la carcaza de la bomba de alta presión.
La construcción de los lóbulos de los engranajes evita el retorno de
combustible.
ACUMULADOR DE ALTA PRESION – COMMON RAIL
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El acumulador de presión, es un tubo de hierro forjado en el cual el combustible
se encuentra almacenado a una presión de asta 1400 bar., por lo tanto, se
puede utilizar en cualquier momento en l fase de operación e inyección directa
al motor.
El combustible que envía la bomba de alta presión, accede por una tubería al
acumulador de alta presión.
Para cada cilindro existe una conexión al acumulador de alta presión, como se
muestra en la foto de un rail para 4 cilindros incorporado en los vehículos que
utilizan este sistema de alimentación, a través de esta conexión pasa el
combustible por el distribuidor de caudal hacia los inyectores.
El rail lleva además una conexión para el sensor de presión de combustible en
el acumulador.
ELECTROINYECTOR DE COMBUSTIBLE COMMON RAIL
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El inyector pulveriza el combustible en la cámara de combustión en forma
directa a través de pequeños orificios, por un diámetro que se aproxima a 200
micras, para la atomización de combustible en la cámara de combustión.
La unidad de control suministra la dosificaron en forma de impulsos a los
electroinyectores, en función de los siguientes sensores:
Sensor de posición del pedal de acelerador, flujo de aire, temperatura de aire,
temperatura del refrigerante, presión barométrica, sensor de fase, régimen del
motor, etc.
Estos sensores modifican el estado del motor según su condición, convirtiendo
en señal analógica o digital. Estas señales son procesadas por la unidad de
control para efectuar sus cálculos matemáticos y enviar órdenes a los
actuadores.
FUNCIONAMIENTO DEL ELECTROINYECTOR
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Al excitar al electroimán se obtiene un pico de corriente que se aproxima a 20
Amp., en unos pocos milisegundos de duración, hasta llegar a atraer
completamente al núcleo, nesecitando entonces, una intensidad de corriente
menor que se aproxima a 12 Amp., manteniendo de esta forma, la tobera
abierta e inyectándose el combustible dentro de la cámara de combustión con la
presión reinante del acumulador (rail).
La ECU, inicia la inyección en forma de impulsos activando el electrizan. Debido
a esta fuerza adicional se separa la bola de la válvula de su asiento. El
combustible de la cámara de mando de la válvula pasa por el estrangulador de
salida y fluye por el retorno de combustible hacia el depósito. Al abrirse la
válvula, desciende la fuerza ejercida por el embolo de la válvula. La presión en
la aguja del inyector se mantiene inalterada gracias al estrangulador de entrada.
La fuerza resultante en la cámara delantera es suficientemente grande para
mover la aguja del inyector e iniciar el proceso de la inyección. Al finalizar la
inyección se desactiva el electroimán y luego, el resorte de la válvula oprime la
bola contra su asiento. La fuerza sobre el embolo se incrementa obturando el
orificio de la tobera de tal forma que el inyector se encuentra otra vez en
posición de reposo.
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CIRCUITO DE RETORNO
ENFRIADOR DE COMBUSTIBLE
Este es un accesorio para enfriar el combustible sobrante que esta de retorno
después de realizar todo su recorrido por todo el sistema.
Este combustible es necesario enfriar por que ha sido calentado por la
compresión que paso y por el calor producido por el mismo motor durante la
combustión. Luego llegar asta el tanque de combustible listo para su nuevo
recorrido.
El circuito de retorno es por donde el combustible sobrante después de su
utilización regresa hacia el tanque de combustible y luego volver con el nuevo
recorrido por todo el sistema de common rail.
El sistema common rail, para su cumplimiento de todo sus funciones
correctamente se han equipado con una unidad de control electrónico.
LA UNIDAD DE CONTROL ELECTRONICO (ECU)
La unidad de control electrónico (ECU), se caracteriza por controlar la presión
en el Common Rail y el tiempo de inyección de combustible, en función de las
señales de los sensores en los diversos sistemas, con base en programas pre-
definidos y grabados en su memoria.
Estos datos son comparados con los diagramas característicos del motor; por el
micro-procesador que envía señales a las salidas, calculados por programas
residentes. Debido a la precisión exigida y a la alta dinámica del motor, se
necesita una alta capacidad de procesamiento. En la memoria ROM, están
grabadas todas las características de la aplicación en el vehículo y no pueden
modificarse.
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Los datos operativos se almacenan en la memoria RAM, hasta que sean
solicitados y procesados por el ECU. Las informaciones almacenadas en el
RAM desaparecen cuando se desconecta la batería. En la memoria RAM,
también hay una subdivisión del almacenamiento de fallas. En el
almacenamiento de fallas, hay datos que no deben borrarse, cuando se apaga
el motor, tales como la presión atmosférica, código de servicios y
modificaciones ocurridas en el sistema.
Los sensores, actuadores y la alimentación de energía, están conectados al
ECU a través de un conectador. Los componentes de potencia para comando
directo de los actuadores, están integrados a la carcasa de la ECU, de tal
manera que aseguren la disipación del calor.
LOS SENSORES
1. SENSOR DE LA POSICION DEL CIGUEÑAL
Este sensor es de tipo inductivo; el cual consiste de un imán permanente, una
bobina de alambre envuelto en su alrededor y esta provisto por dos o tres
circuitos que están conectados en forma directa a la unidad de control, circuito
positivo, masa el tercer circuito también es masa cual esta diseñad para el
blindaje del cable para evitar la interferencias.
Este sensor genera señal analógica, cada vez que un diente de la corona de
volante del motor pasa cerca de este dispositivo.
La unidad de control requiere de esta señal para el inicio de la secuencia de
encendido y suministrar el tiempo de inyección, de acuerdo al régimen del
motor.
También para gestionar las cuenta revoluciones del cuadro de instrumentos.2. SENSOR DE FASE O POSICION DE EJE DE LEVAS
Existen dos tipos, los cuales son: de tipo inductivo y el de tipo efecto hall.
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El sensor de tipo inductivo consta de un arrollamiento de bobina y un imán
permanente, por lo consiguiente este dispositivo genera corriente alterna en
ondas sinoidales o señal analógica, el de tipo efecto hall es un semiconductor
de 3 circuitos, el mismo genera señal digital en forma de impulsos produciendo
ondas cuadradas. Los dos tipos de sensores están puestas junto al eje de
levas.
Detrás del engranaje del árbol de levas, hay puesta una placa con 4 + 1 ó 6 + 1
dientes, equidistante a 90º, donde los dientes dobles sirven como referencia
para que el ECM, localice el 1º cilindro que será inyectado para la combustión.
Por la señal, se sincroniza la inyección del 1º cilindro con la posición del pistón
en el cilindro. Esta información la usa el ECM para calcular el ángulo de
comienzo de la inyección.
Si falta la señal del sensor de posición del árbol de levas, el motor continúa
funcionando, pero, si se apaga el motor, no será posible arrancar nuevamente.
3. SENSOR DE PRESION DE COMBUSTIBLE EN EL RAIL
El sensor de presión del Common Rail está localizado en el extremo del tubo
Rail de alta presión y monitorea la presión momentánea del combustible. El
sensor tiene la función de medir la presión en el tubo Rail con precisión
suficiente, en tiempo relativamente corto y suministrar una señal de tensión
eléctrica al ECU de acuerdo con la presión existente.
El combustible fluye del orificio de pasaje del tubo Rail para el sensor de
presión, cuyo diafragma sella la extremidad del orificio. A través de un orificio
sin salida (ciego), el combustible a presión llega hasta el diafragma. Cuando el
elemento sensor está en ese diafragma, sirve para convertir la presión en una
señal eléctrica. A través del manojo de conexiones, la señal generada va a un
circuito de evaluación, que pone a disposición la señal de medición ampliada
para el ECU
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La señal de tensión se usa para regular la presión de alimentación en el circuito
de combustible de baja presión. Se trata del circuito de entrada de combustible
para dentro del elemento bombeador de alta presión.
Si no hay señal del sensor de presión, no será posible que el motor funcione. Si
el sensor notara una fuga o un aumento de presión en el tubo Rail, por razones
de seguridad, el motor se apagará inmediatamente.
4. SENSOR DE FLUJO DE AIRE DE LA MASA DE AIRE
El sensor de flujo de la masa de aire esta incorporado en el conducto de aire
entrante al múltiple de admisión, después del filtro de aire.
Este sensor esta diseñado por una resistencia del tipo película transparente, el
cual se aproxima hasta 120ºC de temperatura y cambia su valor resistivo de
acuerdo al aire admitido hacia el motor durante el funcionamiento del motor,
esto significa, cuando el aire es aspirado por la admisión, produce enfriamiento
al hilo caliente causando variación de voltaje según el régimen del motor.
Por medio de este sensor se informa a la unidad de control la cantidad de aire
que ingresa hacia el motor, a través del voltaje variable del sensor MAF.
Durante la marcha del motor de acuerdo a este voltaje, la unidad de control
suministra el caudal y avance de inyección aproximándose al valor
estequieometrico (14.7:1).
5. SENSOR DE TEMPERATURA DE AIRE
El sensor de temperatura de aire es un termistor de tipo NTC, que cambia su
resistencia de acuerdo ala temperatura del aire ambiente, el cual se encarga de
medir la temperatura del aire admitido hacia el motor calculando la densidad o
masa de aire.
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La unidad de control calcula el tiempo de inyección de acuerdo alos parámetros
de señal de este sensor, este sensor generalmente esta ubicado después del
purificador de aire.
6. SENSOR DE TEMPERATURA DE LÍQUIDO REFRIGERANTE
El sensor es del tipo NTC, es decir, disminuye su resistencia con el aumento de
temperatura. Se alimenta con una tensión de 5 voltios de corriente continua,
suministrado por el ECU.
El ECU necesita de las informaciones de este sensor, para efectuar los
siguientes cálculos:
- Rotaciones en marchas lentas.
- Avance de inyección.
- Dosificación de combustible.
- tiempo del post-calentamiento
Si no hay señal en el sensor de temperatura del líquido de refrigeración, el ECU
considera un valor estándar, para mantener el motor en funcionamiento.
7. SENSOR DE POSICION DEL OBTURADOR (TPS)
Este es potenciómetro de resistencia variable. Este dispositivo esta incorporado
en el eje de mariposa, el cual modifica su valor resistivo ejecutado por el pedal
de la aceleración en diferentes condiciones.
La unidad de control proporciona tensión de alimentación de 5 vol. Como
voltaje referencial, tensión de masa y luego obtiene señal de retorno modificado
por el acelerador.
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De este modo la unidad de control se encargara de suministrar el tiempo de
inyección de acuerdo al ángulo de apertura de la mariposa. Este sensor es
imprescindible para la función de la inyección.
8. SENSOR DE POSICION DEL PEDAL ACELERADOR
El sensor de posición del acelerador es un potenciómetro rotativo, donde su
movimiento acciona el contacto deslizante eléctrico, que se desplaza a lo largo
de una trilla de resistencia eléctrica variando su tensión.
Por la señal del sensor, el ECU reconoce la posición del acelerador. La señal de
la posición del pedal del acelerador se utiliza para efectuar los cálculos
siguientes:
- Rotaciones de la marcha lenta.
- Ángulo de inyección.
- Tiempo de inyección en aceleraciones y desaceleraciones.
- Para dar ordenes de aceleración al motor paso a paso.
El ECU controla la dosificación de combustible electrónicamente de acuerdo
con las condiciones de carga del motor, con el objetivo de evitar emisión de
contaminantes debido al exceso de combustible, y también evitar la sobrecarga
térmica, debido al torque (par motor) o rotación.
Si no hay señal en el sensor de posición, el ECU no reconoce la posición del
acelerador y el motor continúa en marcha con la aceleración controlada, y podrá
por lo tanto, continuar el viaje hasta el concesionario más cercano.
9. INTERRUPTOR DE PEDAL DE FRENO Y LUZ DE FRENO
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Este interruptor realiza exclusivamente la función de informar a la unidad de
control del motor del momento en el cual el conductor hace uso de freno. Esta
labor lo realiza juntamente con el conmutador de luz de freno.
Este conmutador se encuentra cerrado en reposo y se abre con solo pisar el
pedal de freno.Estas señales se utilizan junto con las del potenciómetro del
acelerado, el conmutador del pedal de embrague y del conmutador de ralenti,
para:
- Mejora de la suavidad de marcha.
- reducción de los humos de escape.
- evitar desaceleraciones indeseados o frenadas y aceleraciones
Simultaneas.
10. INTERUPTOR DE PEDAL DE EMBRAGUE
Informa a la ECU de la posición del pedal del embrague (accionado o no).
Se encuentra ubicado en el mismo pedal de embrague. En posición de reposo
se encuentra cerrado.
La ECU utiliza esta señal para corregir el caudal de inyección durante corto
tiempo para mejorar la suavidad de marcha.
Al pisar el embrague para cambiar velocidad, se abre el conmutador informando
a la ECU de tal acción. Automáticamente y mientras permanezca el pedal
accionado, la ECU recorta levemente el caudal inyectado con la finalidad de
reestablecerlo al dejar de actuar sobre el pedal.
Con esto se consigue una transición más progresiva entre cambios de
velocidad.
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13. BIBLIOGRAFÍA.
Ø Manual de calidad - SENATI
Ø www.sanediciones.com.ar
Ø Manual toyota 2KD del Perú S.A.
Ø www.mecanicavirtual.com
Ø Manual de mejora de métodos – SENATI
Ø www.obd2soluciones.com
Ø www.grupocultural.com
Ø Manual de inyección electrónica – SENATI
Ø Manual TCCS ETAPA 03
Ø Manual electronic system nippón & american motors
