Sistema de Combustible

INTRODUCCIÓN

Para que el motor del vehículo funcione se requiere, entre otras cosas, combustible. De ello y de su almacenamiento se encarga el Sistema de Combustible, cuyos componentes básicos son los que aparecen en la siguiente imagen:

El sistema de combustible de un vehículo automóvil, además de tener un funcionamiento bastante complejo y desconocido para la mayoría de la gente sin conocimientos técnicos, está formado por una gran cantidad de elementos cuya función es tan importante y definida que se merecen (al menos algunos de ellos) ser estudiados independiente:

- Depósito: encargado de almacenar el combustible.

- Bomba de combustible: encargada de succionar el combustible del depósito y mandarlo hacia el circuito de inyección.

- Válvulas del depósito: válvulas encargadas de permitir la ventilación del depósito durante la marcha del vehículo y la operación de repostaje.

- Baffles: son elementos internos en el depósito encargados de disminuir el nivel de ruido debido al movimiento del combustible.

- Conectores eléctricos: todas y cada una de las conexiones eléctricas existentes alrededor del depósito, encargadas de suministrar la corriente necesaria para el funcionamiento de bomba, sensores,…

- Conductos y boquillas: conductos para vapores/aire y para combustible líquido, unidos generalmente por boquillas y sujetos al depósito mediante clips.

- Tirantes y almohadillas: encargados cargar y sujetar el depósito al chasis del vehículo, así como de evitar la transmisión de vibraciones al mismo.

- Protección térmica: placa montada en el exterior del depósito para aminorar la transmisión de calor entre depósito y sus alrededores.

- Filtro de carbón activo: encargado de recoger los vapores de combustible procedentes del depósito y almacenarlos para evitar su emisión a la atmósfera.

- Filtros de combustible/aire: encargados de filtrar el combustible y el aire que se dirigen hacia el motor.

- Bomba y colectores de inyección: encargados de mantener la cantidad de combustible necesaria y a la presión requerida en el circuito de inyección.

- Inyectores: encargados de suministrar la cantidad idónea de combustible a cada cámara de combustión del motor.

- Carburador: sistema en desuso encargado de suministrar la mezcla aire/combustible en motores de gasolina.

Para facilitar su análisis, dividiremos el Sistema de Combustible en dos zonas bien diferenciadas funcionalmente:

  • Conjunto Depósito: formado por el depósito en si mismo y todos sus elementos interiores y adyacentes.
  • Sistema de Inyección / Carburación: encargado de alimentar el motor con combustible.

El depósito de combustible, en conjunto con sus elementos internos y externos, puede adoptar múltiples configuraciones y diseños en función de los requerimientos y particularidades de cada OEM. A continuación se muestra el esquema de un Sistema de Combustible genérico:

El funcionamiento básico de un sistema como el mostrado en la figura puede resumirse en los siguientes pasos:

  1. Cuando el motor está en funcionamiento y en función del estado del pedal acelerador así como de otros parámetros, la Unidad de Control se encarga de mandar la adecuada orden eléctrica a la bomba principal de combustible, generalmente situada dentro del depósito.
  2. La bomba contenida en el módulo de envío de combustible se encarga de succionar el combustible y alimentar al circuito de inyección, pasando previamente por un filtro de combustible. La bomba siempre se encuentra a máximo régimen de funcionamiento, por lo que no todo el combustible suministrado es demandado por el circuito de inyección. La parte sobrante es derivada a las denominadas Jet Pump, que no son otra cosa que un sistema que trabaja mediante efecto Venturi, haciendo que succione el combustible que lo rodea y enviándolo al módulo de reserva, el cual debe estar siempre lleno.
  3. El combustible enviado se hace pasar por una válvula limitadora de presión tras la cual llegará al sistema de inyección o carburación.
  4. Una vez que se encuentra en el sistema de alimentación, serán los inyectores o el carburador los encargados de realizar la mezcla de aire + combustible oportuna y alimentar a los cilindros del motor.

Existen particularidades de diseño y funcionamiento de un sistema de combustible bien diferenciadas dependiendo de:

  • Tipo de combustible que se vaya a utilizar (diesel, gasolina, flex fuel, biocombustibles,…)
  • Zona geográfica donde vaya a ser usado, o mejor dicho, normativa legal a la que vaya a estar sometido (ECE, LEVII, LEVIII, PZEV,…).

Respecto al primer punto, lo primero es ver cuales son las características físico-químicas de cada combustible:

Fijándonos en diesel, gasolina y etanol, la principal característica que destaca es la diferencia de pesos moleculares, siendo el del etanol el menor, seguido de la gasolina y finalmente del diésel  A menor peso molecular, mayor volatilidad, ello implica que el etanol posee una volatilidad dos veces superior a la gasolina y cuatro veces superior al diesel. Fijándonos ahora en la Temperatura de Ebullición, apreciamos lo siguiente que para la gasolina comienza a los 80ºF≈26,6ºC, para el diesel a 370ºF≈187,7ºC y para el etanol 172ºF≈77,7ºC.

Estas dos características hacen que los sistemas de combustible requieran soluciones constructivas y operativas distintas, ya que en un sistema de gasolina la concentración de vapores de combustible será muy elevada, mientras que en un sistema diesel será prácticamente inexistente. Dichas particularidades serán analizadas en el apartado de “Sistema Depósito”.

Con objeto de aminorar el efecto influyente de las temperaturas durante las diferentes estaciones del año, las refinerías varían la proporción de componentes volátiles en la gasolina que comercializan a lo largo de año, haciéndola más volátil en invierno para favorecer la combustión, y menos volátil en verano para reducir su evaporación. Este índice de volatilidad se mide con la denominada RVP (Reid Vapor Pressure, Presión de Vapo Real), que en el caso de la gasolina es muchísimo mayor que para el etanol o el diesel, tal y como se observa en las tablas anteriores.

En cuanto al etanol, hoy en día está adquiriendo una importancia dada su utilización como aditivo de las gasolinas y diesels convencionales, son los denominados combustibles E10, E22, E85, E100,…Están relacionados con los vehículos Flex Fuel, los cuales están diseñados para que puedan funcionar con una mezcla de gasolina convencional y etanol en cualquier proporción. La principal razón es la medioambiental, dado que el etanol no es un combustible fósil y, en teoría, contribuye a reducir dicho consumo.

El número seguido a la letra E indica el % de etanol utilizado, es decir, el combustible E10 está formado por un 10% de etanol y un 90% de gasolina, mientras que el E100 sería etanol puro, cuyo país pionero en su uso es Brasil. Si bien es cierto, el etanol es más agresivo químicamente con los materiales de sistema de combustible, por lo que se requiere especial atención cuando diseñamos sistemas que vayan a utilizar altos porcentajes de etanol. Las principales medidas a tener en cuenta cuando diseñamos un sistema Flex Fuel son las siguientes:

- Materiales como HDPE, POM, PPS y PA son resistentes a los flexfuel.

- Materiales de goma (elastómeros) requieren ser sustituidos por FKM/Viton. Evitar utilizar conductos de monomaterial y componentes 2K.

- Se recomienda cambiar piezas metálicas en contacto con el flexfuel por aceros inoxidables de alta resistencia.

- Válvulas y módulos de envío de combustible deben ser diseñados y probados en atmósferas agresivas similares a las producidas por los flexfuel.

- Se deben tener en cuenta hinchamientos/dilataciones dimensionales de los componentes superiores (aprox. 20%) a las sufridas con combustibles convencionales.

- La emisiones de hidrocarburos en sistemas flexfluel son mayores que en sistemas convencionales, excepto para las emisiones de depósitos COEX. Generalmente la proporción más desfavorable es E10 (10% etanol). La razón de ello es que el flex fuel contiene hidrocarburos polares (como es el caso del etanol) y apolares. Los depósitos coextruidos están formados por 5 capas de material y, mientras que el HDPE (apolar) es una buena barrera contra hidrocarburos polares, la capa de EVOH (polar) se encarga de evitar la permeación de hidrocarburos apolares.

- La normativa norteamericana obliga, para sistemas flexfuel, a disponer de un diseño del conducto de llenado que no permita la aspiración de combustible por medios humanos desde el exterior del vehículo. Es decir, que introduciendo un conducto de un determinado diámetro y longitud desde la interface de repostaje, una persona no debe ser capaz de llegar a tocar el combustible alojado en el depósito. Esta normativa confronta con otra impuesta por los propios OEM, la cual obliga a que el depósito sea capaz de ser drenado (generalmente mediante bombeo) en caso necesario por reparación.

- Tener en cuenta que el combustible E85 incrementa las posibilidades de generar mezclas inflamables en el sistema de combustible. Los principales OEM obligan a instalar sistemas (por ejemplo una rejilla metálica en el conducto de llenado) antipropagación de llama, para evitar que, en caso de ignición externa, la llama se propague hacia el interior de sistema de combustible.  Sin embargo, al ser el etanol un elemento conductivo (al contrario que la gasolina pura o el diésel), evita que sus elementos colindantes sean electrostáticamente cargados.

Una perspectiva general de los llamados biocombustibles existentes hoy en día se puede apreciar en los siguientes diagramas:

En la siguiente gráfica se representa la influencia del % de etanol en un combustible, con la permeación a través de las paredes del depósito, así como la influencia de la mezcla de materiales en un sistema depósito con la permeación:

En depósitos fluorinados, a menor concentración de etanol mayor es la permeación a través del mismo. La gráfica derecha muestra que, a mayor mezcla de materiales en la confección de un sistema de combustible, mayor es la permeación/emisiones a través del mismo.

En el caso del biodiésel, uno de los efectos apreciables en depósitos monomaterial es la suciedad exterior al depósito que aparece tras períodos de almacenamiento:

Lo anterior ocurre debido a la creación de reactivos al contacto del biodiésel con el aire, los cuales causan una cadena de degradación (activada térmicamente) del polietileno que compone el depósito. Si se elimina el aire, la reacción de degradación del RME (Rapeseed Methyl Esther) es inhibida.
Sin embargo, a altas temperaturas la absorción del RME por parte del material (HDPE) es acelerada, produciendo el ensuciamiento de la superficie del depósito. Con una temperatura media de 60ºC y un depósito de espesor de pared 4-5 mm., los efectos suelen ser visibles en el plazo de un año aproximadamente.
Si bien es cierto, las propiedades mecánicas no se ven afectadas en absoluto.
Dicho efecto puede ser evitado mediante la adición de una barrera, ya sea mediante fluorinación o utilizando material COEX. Para materiales elastoméricos se recomienda el uso de HNBR, ECO o FKM, mientras que para partes metálicas se aconseja utilizar aceros inoxidables o recubrimientos superficiales.
Además de los combustibles convencionales, existen unos estándares normalizados con el objetivo de utilizarlos para realizar ensayos y diferentes pruebas en la industria. Dichos combustibles de referencia son mezclas de diferentes sustancias que, en fución de las condiciones químicas necesarias para las pruebas, se han prefijado. Algunos de ellos son los siguientes:

Una vez visto lo anterior, ¿qué particularidades afectan al diseño y funcionamiento de estos sistemas en función del combustible que vaya a ser utilizado? Básicamente se ven afectados:

- El circuito de ventilación o purga de gases: imprescindible en sistemas de gasolina y flexfuel, pero mucho menos exigente para diésel.

- Elección de materiales: con mejores propiedades impermeables a vapores en sistemas gasolina y flexfuel.

- Diseño de conductos: acordes a los dispositivos o elementos a los que están conectados en función de si es un sistema gasolina, diésel o flexfuel. (filtro combustible, diámetro boca de llenado,…).

- En cuanto a requerimientos acústicos, es conocido que todo fluido en movimiento turbulento genera ruidos, en este caso indeseables, tales como los ruidos que se producen durante el movimiento y colisión del combustible en el interior del depósito. El nivel de ruido depende, en gran medida, de la densidad del combustible (gasolina 740 g/l, etanol 790 g/l, diésel 850 g/l). Cada caso debe ser, por lo tanto, estudiado independientemente, en conjunto con los requisitos de OEM.

El segundo factor de influencia es la normativa legal a la que vaya a estar sometido el vehículo y, en consecuencia, su sistema de combustible. Existen diferentes normativas referentes a la cantidad de emisiones de hidrocarburos que un vehículo puede emitir por día y por kilómetro, así como su procedencia dentro del propio vehículo. Es decir, si la fuente de origen es el sistema de combustible u otra.

Las emisiones evaporativas son aquellas procedentes de la evaporación del propio combustible y que, en su mayor parte, son atrapadas en el filtro de carbón activo. Sin embargo, existen pequeñas cantidades que consiguen permear los materiales y salir al exterior. Todas las regulaciones de emisiones evaporativas siguen el mismo test de certificación:

1.- Se prepara y se carga el filtro de carbón activo.

2.- Se añade combustible nuevo al sistema.

3.- El vehículo se somete a un ciclo de conducción previo.

4.- Se deja el sistema en reposo con combustible.

5.- Test de emisiones en funcionamiento.

6.- Test en reposo con combustible a alta temperatura.

7.- Test diurno de emisiones.

Las regulaciones aplican diferentes ciclos de temperatura con objeto de provocar las emisiones evaporativas.

La más estricta es la aplicable en EEUU, y más concretamente la aplicada en California, donde se encuentra la CARB (California Air Resources Board) encargada de vigilar y mantener la calidad del aire. El perfil de temperaturas aplicado por la CARB contiene las más altas temperaturas así como los mayores cambios o variaciones en la misma, lo cual hace que se convierta en una normativa más exigente que otras como la EPA (Environmental Protection Agency) o la Euro (cuyas emisiones por ciclo son un 75% de las correspondientes a la CARB).

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En 1990 la CARB inició un programa aplicado a los vehículos llamado ZEV (Zero Emission Vehicle) con el objetivo de reducir las emisiones de hidrocarburos en un 10% hasta el año 2020, y promover la célula de combustible y el vehículo eléctrico.

Durante este programa varias han sido las normas aplicadas en este contexto, comenzando por la norma LEV (Low Emission Vehicles), ULEV (Ultra Low Emission Vehicle), SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle), PZEV (Partial Zero Emission Vehicle), AT PZEV (Advance Technology PZEV) y ZEV; siendo esta última la más avanzada y restrictiva, es decir 0 gramos de hidrocarburos a través del tubo de escape.

Los vehículos PZEV tienen un límite de 0,350 g/día de emisiones totales, de los cuales el sistema de combustible no puede exceder los 0,054 g/día de emisiones evaporativas.

En 2011 la CARB propuso la normativa LEV III con objeto de ser implementada en 2014. Esta regulación propone reducir las emisiones evaporativas del vehículo global de 500 mg/día (80-120 mg/día sistema de combustible) (LEV II/Tier2) a 300 mg/día, sin ser necesaria una certificación PZEV referente a las emisiones procedentes del sistema de combustible. Sin embargo, es necesario demostrar unas emisiones por difusión menores a 0,020 g/día. El combustible a utilizar debe tener un 10% de etanol y gasolina reformulada con 7RVP.

Para una mayor información sobre las principales Directivas Norteamericanas os dejo los siguientes links:

- Resumen Oficial y Texto de la norma Tier II (EPA)

- Regulaciones EPA sobre emisiones en vehículo US Federal CFR, title 40, part 86

- Resumen Oficial y Texto de la norma LEV II (CARB)

- Documentación sobre normativa LEV III (CARB)

En la Unión Europea se han aplicado normativas similares, llamadas Euro1, Euro2,…hasta la actual Euro5, la cual establece un límite de 2 gramos de emisiones evaporativas por día, utilizando combustible para test con un 5% de ethanol e imponiendo requerimientos de durabilidad.

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Para mayor información sobre estas Directivas Europeas os adjunto los siguientes links:

- Regulación de la Unión Europea

- Resumen Oficial de la Regulación de Emisiones Euro5/6

Análogamente y muy similar a la normativa Euro4, están las normativas japonesas, las cuales han sido desarrolladas bajo la autoridad de la Ley de Control de Contaminación de Aire, por el Ministerio de Medioambiente y el Ministerio de Infraestructura y Transporte.

- Normas Japonesas sobre Emisiones

Geográficamente, la siguiente imagen muestra qué normativa aplica en cada país a fecha de 2012, así como el límite de emisiones correspondiente:

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Además de los límites de emisiones por día, existen límites por kilómetro. Aquí os dejo un link a una página muy fácil y sencilla donde se pueden ver dichos límites establecidos para cada normativa:

- Límites de Emisiones por kilómetro

Una vez conocido todo esto, ahora estamos en posición de poder adentrarnos un poco más en los subsistemas y componentes que forma el Sistema de Combustible, analizando su función y funcionamiento, y lo cual es tratado en las páginas Conjunto Depósito y Sistema de Inyección / Carburación.

2 comentarios el “Sistema de Combustible

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