Motores GDI: Minimizar las emisiones y aumentar el rendimiento bajo presión

Se espera que para 2025 se vendan unos 40 millones de motores con inyección directa de gasolina. Desde este punto de vista, es sorprendente que estos motores emitan más partículas peligrosas que los motores con inyección precámara o incluso los últimos diésel con filtros de partículas.

El aumento potencial de la cuota de mercado significa que las emisiones de partículas de los GDI -aunque son comparativamente bajas en comparación con los diésel sin filtrar- están siendo objeto de un mayor escrutinio por parte de los fabricantes y los organismos reguladores.
Para reducir estas emisiones y mejorar al mismo tiempo el rendimiento, los ingenieros están explorando actualmente nuevos diseños y conceptos, como el aumento de la presión del combustible, los combustibles alternativos y los sistemas de reducción de emisiones.
Según Matti Maricq, director técnico de Ingeniería Química y Emisiones tras el Tratamiento en el Centro de Investigación e Innovación de Ford en Dearborn, la inyección de combustible directamente en el cilindro crea una explosión de combustión limpia que gasta poco combustible y libera más potencia.
Durante este proceso, la gasolina se introduce directamente en el lugar donde la cámara de combustión está más caliente. Esto permite una combustión más completa, uniforme y suave.
Los motores GDI de combustión limpia emiten partículas peligrosas
Sin embargo, debido a la volatilización incompleta del combustible, a las zonas parcialmente ricas en combustible y a la "humectación" de los pistones y las superficies de los cilindros, los motores GDI producen partículas indeseables. La mayoría de las emisiones suelen producirse durante los arranques en frío y en situaciones de transición de alta carga durante la fase de calentamiento. Sin embargo, esto puede variar en función de la carga, la fase del ciclo de conducción y la demanda del conductor.
Aunque los críticos "verdes" siguen siendo escépticos con los llamados métodos de "gestión del motor", por considerarlos poco fiables frente a los filtros de escape, la mayoría de los fabricantes de equipos originales y proveedores de componentes esperan que los cambios de ingeniería y los diseños mejorados resulten finalmente más rentables e igualmente fiables.
El estado actual de desarrollo sugiere que las presiones de combustible más altas, posiblemente en torno a los 40 MPa, junto con los nuevos inyectores de alta precisión mejorarán en gran medida los futuros sistemas GDI. Para optimizar aún más el sistema, los ingenieros del inyector seguirán perfeccionando los aspectos de sincronización, orientación, dosificación y atomización.
En un estudio reciente publicado por SAE, se observó que el aumento de la presión del sistema de combustible mejora la homogeneidad de la mezcla y reduce la llama de difusión. Esto reduce significativamente las emisiones de partículas en la combustión homogénea en los motores GDI.
Además, como resultado de la mejora del movimiento de admisión, se consiguió una mayor reducción de las emisiones de partículas a presiones de combustible entre 20 MPa y 40 MPa.
Los datos de combustión muestran que el aumento de la presión del combustible tiene una gran influencia en la reducción de las emisiones de combustión y optimiza el consumo de combustible.
Medición precisa de la presión del combustible
No obstante: Para que un sistema GDI funcione de forma óptima, es importante que la presión del combustible en el conducto común (CR) se mida correctamente durante la fase de diseño y prueba, de forma que la ECU pueda realizar el mapeo correspondiente.
La medición de la presión de combustible de la RC es la 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 piezoresistivos en el lado de baja presión del sistema. Cuando se aplica presión, el elemento de chip de silicona genera una tensión eléctrica medible. Aumenta cuando la presión sube.
En el lado de la alta presión, los sensores suelen utilizar una membrana metálica sobre un puente de resistencia. Cuando se aplica presión, el puente produce un cambio de resistencia, que se manifiesta en un cambio de la tensión aplicada. El módulo de control electrónico convierte la tensión en una presión calculada, normalmente con una precisión de ± 2%.
Para mantener la presión correcta, el módulo de control electrónico pulsa la bomba de baja presión. El sistema suele tener un controlador y no tiene líneas de retorno. Algunos sistemas tienen incluso sensores de temperatura incorporados en las líneas que se utilizan para calcular la densidad del combustible, de modo que el ajuste del combustible puede ajustarse a la cantidad de energía del mismo.
Para garantizar una medición precisa de la presión de la línea, es importante utilizar transmisores de presión de alta precisión para mapear la presión de la RC en todas las condiciones del motor y de la carga. Cualquier error durante este proceso puede dar lugar a una modulación incorrecta de la presión del RC. El resultado son graves desviaciones.
Con la introducción del ciclo de conducción armonizado, los fabricantes de equipos originales se ven sometidos a una nueva presión para cumplir los niveles de emisiones fijados por las autoridades. Los motores de gasolina GDI estarán a la vanguardia de una nueva generación de tecnologías ecológicas. No obstante, para que esta tecnología cumpla la futura normativa, es necesario reducir las emisiones de partículas, en gran parte mediante un control exhaustivo de la presión del combustible en el RC.