Inyección dual

En busca de un mayor rendimiento volumétrico y menor consumo de combustible se ha desarrollado e implementado ampliamente la inyección directa de gasolina en las mecánicas actuales, relegando a un segundo puesto a la inyección indirecta tan empleada anteriormente. 

Pese a la sustitución de la inyección indirecta, esta dispone de una ventaja frente a la inyección directa que se trata de la capacidad de homogeneizar la mezcla de aire y combustible. Esta mayor capacidad viene propiciada al disponerse de mucho más tiempo desde que se realiza la inyección hasta que salta la chispa, permitiendo que el combustible se atomice y se disperse mejor por toda la cámara de combustión.

Por el contrario, la peor homogenización del combustible en la inyección directa provoca la indeseable generación de partículas que supone un handicap debido a la cada vez mayor restricción en cuanto a las emisiones permitidas. Estas limitaciones fomentan el desarrollo e implementación de nuevos propulsores, sistemas auxiliares de motor y sistemas de postratamiento de los gases de escape, provocando el avance tecnológico de los motores térmicos. 
En algunas mecánicas deportivas o de cilindradas elevadas, fabricantes como Toyota o Audi han optado por una solución para mejorar la formación de la mezcla y la posterior combustión en todo el rango operativo del motor que consiste en la unión de la inyección directa e indirecta: la inyección dual.

Vista del sistema de inyección dual de gasolina (izquierda) y patrón de pulverizado del inyector de inyección directa (derecha)

Además de la introducción de ambos sistemas de inyección, con el objetivo de disponer de una mejor mezcla del aire y el combustible a altas cargas de motor se ha modificado el conducto de admisión para favorecer el flujo de aire, disponiendo de una menor generación de turbulencias en comparación con los sistemas de inyección directa convencionales. Junto con esta modificación del colector, tanto el diseño de la cabeza del pistón como el patrón de pulverizado del inyector de inyección directa se han visto afectados.

Como se ha visto durante el curso, las turbulencias eran imprescindibles para obtener una correcta mezcla durante bajas cargas de motor y especialmente para conseguir llevar a cabo el funcionamiento del motor en el modo estratificado, aunque estos beneficios no pueden mantenerse a altas cargas y revoluciones de motor debido a que las propias turbulencias dificultan el flujo de aire en regímenes elevados. 
Por el contrario, los cambios efectuados junto con esta inyección dual están específicamente diseñados para mejorar el flujo de aire en altas cargas en detrimento del funcionamiento a bajas. Sin embargo, la introducción de la inyección indirecta es capaz de solventar este problema, dando lugar a la siguiente estrategia de funcionamiento:

Esta estrategia de inyección puede tener pequeñas variaciones según el fabricante y gestión utilizadas, tratándose la siguiente explicación de un funcionamiento genérico del sistema.

Funcionamiento para el calentamiento del catalizador

Como es conocido, el momento donde mayor cantidad de gases contaminantes se emiten a la atmósfera, especialmente hidrocarburos (HC), es durante el funcionamiento en frío del motor, cuando el catalizador todavía no ha alcanzado la temperatura de trabajo y no es capaz de realizar los procesos necesarios para tratar a los gases de escape. 
Una relación estequiométrica favorece este aumento de temperatura de los gases de escape y ayuda a calentar más rápidamente el catalizador, mientras que una mezcla pobre genera una proporción de gases de escape que favorece el proceso de oxidación del catalizador, mejorando la reducción de HC. Con el objetivo de conseguir un balance entre ambos procesos y reducir el tiempo necesario para alcanzar la temperatura de trabajo a la vez que se favorece la oxidación de los HC, se emplea una relación aire-combustible de entre 15 y 15.5 a 1.

Para conseguir estos valores junto con una combustión completa y un funcionamiento suave del motor, antes de iniciarse la apertura de las válvulas de admisión el inyector de inyección indirecta pulveriza una pequeña cantidad de combustible (A), disponiendo de toda la fase de admisión y compresión para homogeneizarse con el aire. Durante la fase de compresión antes de que el pistón alcance PMS, el inyector de inyección directa realiza una inyección (B) para conseguir una combustión ligeramente estratificada.

Estrategia de funcionamiento para mejorar el calentamiento del catalizador

Con este funcionamiento ligeramente estratificado es posible retrasar el encendido de la mezcla en gran medida, obteniendo una combustión pobre y tardía que eleva la temperatura de los gases de escape sin aumentar los HC generados, empleándose esta estrategia de inyección en los primeros instantes tras el arranque del motor en un régimen de ralentí acelerado.

Funcionamiento a bajas y medias cargas de motor

A bajas y medias cargas de motor, la inyección del combustible se realiza de forma combinada entre ambos inyectores para obtener la mejor homogeneización posible del combustible. Al igual que en la estrategia anterior, antes de realizarse la apertura de las válvulas de admisión se produce la inyección indirecta del combustible (A). Sin embargo, en este funcionamiento durante la apertura de las válvulas y la entrada de aire al cilindro se realiza la inyección directa para introducir la cantidad de combustible restante (B), disponiéndose de todo el combustible necesario en el tiempo de admisión.

Estrategia de funcionamiento a bajas y medias cargas de motor

Con la inyección combinada se mejora la atomización y mezcla del combustible a la vez que mantienen en gran medida las ventajas propias de la inyección directa, consiguiendo una combustión estable con un ahorro de combustible y una baja emisión de gases contaminantes.

Funcionamiento a altas cargas de motor

Cuando se solicita una alta carga de motor, la estrategia de inyección se basa en prescindir del empleo de la inyección indirecta (A) y utilizar únicamente el inyector de inyección directa para introducir todo el combustible al cilindro durante la fase de admisión (B). En estas condiciones, el aire admitido así como la alta presión de inyección consigue atomizar correctamente el combustible y permite obtener una mezcla completamente homogénea en toda la cámara de combustión sin necesidad de inyectar combustible en el colector de admisión.

Estrategia de funcionamiento a altas cargas de motor

Así pues, en altas cargas de motor la inyección directa aporta las ventajas propias de este tipo de inyección como la reducción de temperatura del aire de admisión o la disminución del efecto de picado del motor, mejorando el rendimiento volumétrico del propulsor.