Bosch y los sistemas "Common Rail"

El pasado mes de diciembre, Bosch conmemoró la fabricación de 75 millones de sistemas Common Rail (CRS).

Esta tecnología, que es altamente eficiente y respetuosa con el medio ambiente, se utilizó por primera vez hace 14 años en los vehículos y fue el inicio del cambio de imagen de los motores Diesel.

En 1997, el porcentaje de automóviles con motores diesel en Europa Occidental era del 22 por ciento; en la actualidad, uno de cada dos automóviles fabricados están equipados con este tipo de motor.

El objetivo actual de Bosch es que un automóvil del segmento compacto consuma  sólo 3,6 litros de gasoil cada 100 kilómetros recorridos en el año 2015, reduciendo también, de esta forma,  las emisiones de CO2 y las emisiones generales de agentes contaminantes.

Esto supone, una reducción de alrededor del 30 por ciento del consumo de combustible en comparación con los automóviles equipados con motor Diesel estándar del año 2009.

Con el avance de los híbridos, el consumo de los modelos Diesel puede reducirse, incluso, en un 40 por ciento.

Tecnología futura de Common Rail con hasta 2.500 bares de presión

Mientras que el primer sistema Common Rail CRS1 trabajaba con una presión de 1.350 bares, el sistema CRS2 alcanza hasta 2.000 bares.

La medición exacta del combustible se efectúa a través de las válvulas electromagnéticas que permiten hasta 8 inyecciones individuales por ciclo de trabajo.

A partir del año 2003, Bosch ofrece el sistema CRS3 de tercera generación con inyectores piezo.

Este modelo permite una medición aún más exacta de las cantidades de combustible mínimas durante la pre-inyección y la post-inyección, lo que permite una reducción adicional de las emisiones de NOx y mejora el confort de marcha del vehículo.

En la figura se puede apreciar la evolución de los sistemas de inyección Common Rail de Bosch con el objetivo de llegar a presiones de inyección mucho más altas aplicadas en el sistema CRS4.

La tecnología Common Rail, en combinación con un tratamiento del NOx de los gases de escape, hace posible el cumplimiento de las normas de emisiones más estrictas, como la Euro 6, en Europa a partir de 2014; o la Tier 2 Bin 5, en EEUU.

Formación de Hollín en Motores Diesel

¿Qué es el hollín?

Los Motores Diesel transforman la energía química contenida en el combustible en fuerza mecánica. El combustible es inyectado bajo presión al cilindro del motor, donde se mezcla con aire y produce la combustión.

El hollín está constituido principalmente de carbón y ocurre como resultado del quemado incompleto de combustible dentro del cilindro.

Después de la contaminación por tierra, no hay nada peor para el motor que la producción de partículas sólidas en la combustión. Las que quedan en el motor contaminan el aceite y las que salen por el escape contaminan el aire.

La formación de hollín puede ser causada por:

1. Inyectores gastados o mal regulados. Mala pulverización del combustible.

2. Excesivo funcionamiento del motor a bajas RPM.

3. Sobrecarga del motor.

4. Incorrecta proporción de aire/combustible.

5. Exceso de caudal en la bomba de inyección.

6. Operación del motor a baja temperatura.

7. Baja compresión dentro del cilindro -Aros gastados.

8. Filtro de aire tapado.

Los efectos del hollín sobre el motor

Aunque la mayoría de hollín y otros sub-productos salen a través del sistema de escape del motor, un porcentaje es absorbido por el lubricante del motor.

El problema principal para los motores es que el hollín acumulado es abrasivo y su presencia entre dos superficies deslizantes, puede actuar como papel de lija y producir un desgaste abrasivo.

Otro resultado del hollín acumulado en el aceite son los altos niveles de viscosidad. Un aceite de mayor viscosidad tendrá más baja bombeabilidad y posiblemente dejará el motor con menor lubricación. Esto es particularmente peligroso durante los arranques en tiempo frío cuando el flujo de aceite se reduce por la baja temperatura del ambiente y el motor es el más vulnerable a la falla de bombeo del aceite.

El hollín es hasta 98% carbón, empezando con partículas de 0.03 micrones.

Aunque todos los lubricantes de motor diesel modernos tienen aditivos conocidos como dispersantes, que tratan de mantenerlas separadas, cuando el nivel de hollín consume el dispersante del aceite, las partículas se aglomeran (aumento de la viscosidad) y forman lodo reduciendo el flujo de circulación del aceite, colmando  el filtro y causando la abertura de la válvula de alivio de presión del mismo, liberando toda la suciedad retenida.

El lodo también se acumula en toda la superficie del motor, llena las ranuras de los aros atascándolos con lodo y carbón (aros pegados), evitando el libre movimiento del aro dentro del cilindro y la opción de una falla seria del motor.

Acumulado en la corona de los pistones y la culata, reduce la transferencia de calor al aceite y al aire.

Después de analizar los efectos del Hollín, nos damos cuenta de la importancia de evitar su formación en nuestro motor.

El desgaste gradual de los componentes del motor afecta grandemente la eficiencia del motor y puede disminuir la entrega de potencia.

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El concepto de “Motor sin Humo”

El humo visible a la salida de la chimenea en los barcos se ha convertido, en la última década,  en un tema muy importante entre los constructores de grandes motores diesel.

Debido al cumplimiento de las reglamentaciones de la IMO sobre bajas emisiones de gases de escape o como una condición comercial por menores consumos de combustible, costos de mantenimiento y para el confort de los pasajeros en los cruceros y barcos de pasaje, el tema ocupa un lugar principal en la industria naval.

Las actuales  tecnologías, como la de inyección de combustible conocida como Common Rail, el precalentamiento del aire de carga con calor residual, tubocompresores de alto rendimiento a carga parcial, cámaras de combustión optimizadas para reducir los humos y la alta presión de inyección, permite disponer de motores “sin humo” visible a cargas por encima del 25%, tanto en motores de velocidad media de 4 Tiempos, como en motores lentos de 2 Tiempos.

Para evitar el humo con cargas menores es necesario evitar que las gotas formadas al inyectar el combustible dentro de la cámara de combustión entren en contacto con las superficies metálicas.

Esto puede lograrse con gotas de combustible pequeñas, retardo de encendido breve, alto exceso de aire y mucho espacio entre la tobera de inyección y la cavidad del pistón.

En estos temas se ha trabajado intensamente y se ha comprobado que el tamaño de las gotas de combustible, es el que tiene mayor potencial para mejorar.

En los sistemas de inyección mecánica, la presión de inyección es función de la velocidad y de la carga del motor, lo que hace que, a baja carga disminuye la presión de inyección, aumentando el tamaño de las gotas de combustible, chocando éstas sobre las superficies metálicas dentro de la cámara de combustión.

El uso del sistema Common Rail permite mantener alta presión de inyección y por lo tanto, la formación de pequeñas gotas a régimen de velocidad muy lento.

Los sistemas de inyección con control electrónico permiten elegir los parámetros óptimos de funcionamiento del motor, como el tiempo de inyección o la presión de inyección, independientemente de la velocidad del motor. Con esto logramos menor consumo de combustible, emisiones más bajas de NOx, posibilidad de arrancar el motor sin humo visible y menores costos de mantenimiento. 

Desde que las emisiones de NOx en los motores diesel se convirtieron en objeto de atención, los valores han descendido de manera constante.