Inyección indirecta

En los motores de gasolina o diésel de inyección indirecta^[1] el combustible se introduce fuera de la cámara de combustión. En los motores de gasolina, el carburante es inyectado en el colector de admisión, donde se inicia la mezcla aire-combustible antes de entrar en el cilindro. En los diésel de inyección indirecta, el gasóleo se inyecta en una precámara, ubicada en la culata y conectada con la cámara principal de combustión dentro del cilindro mediante un orificio de pequeña sección. Parte del combustible se quema en la precámara, aumentando la presión y enviando el resto del combustible no quemado a la cámara principal, donde se encuentra con el aire necesario para completar la combustión.

Es un sistema de inyección en el que el combustible no se introduce directamente en el cámara de combustión.

Los motores de gasolina equipados con sistemas de inyección indirecta, donde un inyector suministra el combustible en algún punto antes de la válvula de admisión, han caído en desuso en comparación con los motores de gasolina de inyección directa. Sin embargo, algunos fabricantes, como Volkswagen, Toyota y Ford, han desarrollado un sistema de doble inyección, que combina inyectores directos con inyectores indirectos, sumando sus ventajas. La inyección directa permite dosificar el combustible con precisión en la cámara de combustión a alta presión, lo que puede resultar en mayor potencia y eficiencia de combustible. El problema de la inyección directa es que generalmente produce mayores cantidades de partículas en suspensión y, al no entrar el combustible en contacto con las válvulas de admisión, se puede acumular carbonilla en estas con el tiempo. La inyección indirecta mantiene la pulverización de combustible sobre las válvulas de admisión, reduciendo o eliminando la acumulación de carbonilla en estas. Además, en condiciones de baja carga, la inyección indirecta permite obtener una mejor mezcla de combustible y aire. Este sistema se utiliza principalmente en modelos de mayor precio debido a su coste y complejidad adicionales.

La inyección en el puerto de admisión se refiere a la pulverización del combustible sobre la parte posterior de la válvula de admisión, lo que acelera su evaporación.^[2]

Un sistema de inyección indirecta en un motor diésel suministra combustible a una cámara contigua a la cámara de combustión, ya sea una precámara o una cámara de remolino, donde comienza la combustión y luego se extiende a la cámara de combustión principal. La precámara está cuidadosamente diseñada para asegurar una mezcla adecuada del combustible atomizado con el aire calentado por compresión.

Motores de gasolina

Una ventaja de la inyección indirecta en motores de gasolina frente a la inyección directa es que los depósitos de las válvulas de admisión del sistema de ventilación de gases del cárter (PCV) se limpian con el propio combustible.^[3] Los motores de inyección indirecta también tienden a producir menores cantidades de partículas en suspensión en comparación con los de inyección directa, ya que el combustible y el aire se mezclan de manera más uniforme.

Motores diésel

Descripción general

El propósito de la cámara de combustión dividida es acelerar el proceso de combustión y aumentar la potencia al incrementar la velocidad del motor.^[4] La adición de una precámara aumenta la pérdida de calor al sistema de refrigeración y, por lo tanto, reduce la eficiencia del motor. El motor requiere bujías de precalentamiento para arrancar. En un sistema de inyección indirecta, el aire se mueve rápidamente, mezclando el combustible y el aire. Esto simplifica el diseño del motor (cabeza del pistón, culata, válvulas, inyector, precámara, etc.) y permite el uso de diseños con tolerancias menos estrictas, que son más sencillos de fabricar y más fiables. La inyección directa, por el contrario, utiliza aire de movimiento lento y combustible de movimiento rápido; tanto el diseño como la fabricación de los inyectores son más complejos. La optimización del flujo de aire en el cilindro es mucho más complicada que diseñar una precámara. Hay mucha más integración entre el diseño del inyector y el motor.^[5] Por este motivo, los automóviles con motor diésel tuvieron casi todos inyección indirecta, hasta que se pudo disponer de sistemas potentes de simulación de mecánica de fluidos que permitieron la adopción de inyecciones directas en la práctica.^[5]

Clasificación de las cámaras de combustión indirectas

Cámara de remolino

Las cámaras de remolino son cavidades esféricas ubicadas en la culata y separadas del cilindro del motor por un conducto tangencial. Aproximadamente el 50% del aire entra en la cámara de remolino durante la carrera de compresión del motor, produciendo un remolino.^[6] Tras la combustión, los productos regresan al cilindro principal a través del mismo conducto a una velocidad mucho mayor, por lo que se pierde más calor en las paredes del conducto. Este tipo de cámara se utiliza en motores donde el control del combustible y la estabilidad del motor son más importantes que el ahorro de combustible. También se las conoce como cámaras Ricardo, en honor a su inventor, Harry Ricardo.^[7]^[8]

Cámara de precombustión

Esta cámara se encuentra en la culata y está conectada al cilindro del motor mediante pequeños orificios. Ocupa el 40% del volumen total del cilindro. Durante la carrera de compresión, el aire del cilindro principal entra en la cámara de precombustión. En este momento, se inyecta combustible en la precámara de combustión y comienza la combustión. La presión aumenta y las gotas de combustible son forzadas a través de pequeños orificios hacia el cilindro principal, lo que resulta en una mezcla óptima de combustible y aire. La mayor parte de la combustión tiene lugar en el cilindro principal. Este tipo de cámara de combustión permite el uso de múltiples combustibles, ya que la temperatura de la precámara vaporiza el combustible antes de que se produzca la combustión principal.^[9]

Cámara de aire

La cámara de aire es una pequeña cámara cilíndrica con un orificio en un extremo. Está montada de forma más o menos coaxial con el inyector, cuyo eje es paralelo a la cabeza del pistón. El inyector dispara a través de una pequeña cavidad abierta al cilindro, hacia el orificio en el extremo de la cámara de aire, que está montada de manera que se minimice el contacto térmico con la masa de la culata. Se utiliza un inyector de aguja con un patrón de pulverización estrecho. En el punto muerto superior (PMS), la mayor parte de la carga se encuentra dentro de la cavidad y la cámara de aire.

Cuando el inyector se activa, el chorro de combustible entra en la cámara de aire y se enciende. Esto genera un chorro de llama que sale disparado de la cámara de aire directamente hacia el chorro de combustible que aún sale del inyector. El calor y la turbulencia proporcionan excelentes propiedades de vaporización y mezcla del combustible. Además, dado que la mayor parte de la combustión tiene lugar fuera de la cámara de aire, en la cavidad que se comunica directamente con el cilindro, se reduce la pérdida de calor al transferir la carga en combustión al cilindro.

La inyección en cámara de aire puede considerarse un punto intermedio entre la inyección indirecta y la directa, ya que obtiene algunas de las ventajas de eficiencia de la inyección directa, manteniendo la simplicidad y facilidad de desarrollo de la inyección indirecta.

Las cámaras de aire se conocen comúnmente como cámaras de aire Lanova.^[10] El sistema de combustión Lanova fue desarrollado por la empresa Lanova, fundada en 1929 por Franz Lang, Gotthard Wielich y Albert Wielich.^[11]

En Estados Unidos, el sistema Lanova fue utilizado por la marca de camiones Mack Trucks. Un ejemplo es el motor diésel Mack-Lanova ED instalado en el camión Mack NR.

Ventajas de las cámaras de combustión de inyección indirecta

Se pueden producir motores diésel más pequeños.
La presión de inyección requerida es baja, por lo que el inyector es más económico de producir.
La dirección de la inyección es menos importante.
La inyección indirecta es mucho más sencilla de diseñar y fabricar, especialmente para motores de gasolina. Se requiere menos desarrollo del inyector y las presiones de inyección son bajas (1500 psi/100 bar frente a 5000 psi/345 bar o más para la inyección directa).
Las menores tensiones que la inyección indirecta impone a los componentes internos permiten producir versiones de gasolina y diésel de inyección indirecta del mismo motor básico. En el mejor de los casos, estos tipos solo se diferenciaban en la culata y en la necesidad de instalar un distribuidor y bujías en la versión de gasolina, mientras que en la diésel se instalaba una bomba de inyección e inyectores. Algunos ejemplos son los motores BMC de las series A y B, y los motores de cuatro cilindros Land Rover 2.25/2.5-litros. Estos diseños permiten fabricar versiones de gasolina y diésel del mismo vehículo con mínimas modificaciones.
Se pueden alcanzar velocidades de motor más altas, ya que la combustión continúa en la precámara.
Los combustibles alternativos como el biodiésel y el aceite vegetal combustible tienen menos probabilidades de dañar el sistema de combustible en un motor diésel de inyección indirecta, puesto que no se requieren altas presiones de inyección. En los motores de inyección directa (especialmente en los modelos modernos que utilizan sistemas de combustible del tipo common-rail de alta presión), es fundamental mantener los filtros de combustible en buen estado, ya que los residuos pueden dañar las bombas y los inyectores al utilizar aceite vegetal usado o aceite de motor usado.

Desventajas

La eficiencia del combustible en los motores diésel con inyección indirecta es menor que en los que utilizan inyección directa, ya que las áreas expuestas más grandes tienden a disipar más calor y el aire que pasa por los conductos tiende a aumentar las caídas de presión. Sin embargo, el uso de relaciones de compresión más altas compensa en cierta medida esta ineficiencia.
Son necesarias bujías de precalentamiento para el arranque en frío, y muchos motores diésel de inyección indirecta no pueden arrancar en absoluto en clima frío sin bujías incandescentes.
Debido a que el calor y la presión de la combustión se aplican a un área muy pequeña del pistón al salir de la cámara de precombustión o de turbulencia, estos motores son menos adecuados para altas relaciones potencia específica (como motores con turbocompresor, sobrealimentador o reprogramación) que los diésel de inyección directa. El aumento de temperatura y presión en una parte de la corona del pistón provoca una expansión desigual que puede causar grietas, deformaciones u otros daños, aunque los avances en las técnicas de fabricación han permitido a los fabricantes mitigar en gran medida los efectos de la expansión desigual, lo que permite que los diésel de inyección indirecta utilicen turbocompresor.
Los motores de inyección indirecta suelen ser mucho más ruidosos que los motores con common-rail de inyección directa.
El líquido de arranque (éter) a menudo no se puede usar en un motor diésel de inyección indirecta, ya que las bujías incandescentes aumentan considerablemente el riesgo de preignición en comparación con los motores diésel de inyección directa.