REVISTA ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
Vol. 11 Núm. 1 / 2022
MENA L., ALULEMA F., Banco de pruebas de la bomba de inyección rotativa con mandos electrónicos en motores diesel
Edición No.11/2022 (2) ISSN 1390- 7395 (2/10)
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Banco de pruebas de la bomba de inyección rotativa con mandos electrónicos en
motores diésel
Test bench for rotary injection pump with electronic controls in diesel engines
Luis Antonio Mena Navarrete1, Fernando Alulema Criollo1,
1Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, Departamento de Energía y Mecánica
Correspondencia Autores: lamena@espe.edu.ec1
Recibido: 17 de agosto 2022, Publicado: 18 de diciembre de 2022
Resumen— El artículo aborda la transformación
impulsada por el control electrónico en los motores diésel,
enfocándose en la bomba de inyección rotativa VP44 como un
hito significativo en esta evolución. Se profundiza en el diseño
tanto mecánico como eléctrico de los bancos de pruebas,
subrayando su papel fundamental en la evaluación del
rendimiento y la seguridad de estas bombas. Asimismo, se
ofrecen directrices esenciales para el mantenimiento
adecuado y la seguridad durante la operación de estos
sistemas, haciendo hincapié en la necesidad de medidas
preventivas como el aislamiento de la corriente eléctrica y el
uso de equipo de protección personal.
Palabras clave— Motor diésel, Control electrónico, Bomba
de inyección, Diseño mecánico.
Resumen— The article addresses the electronic control-
driven transformation in diesel engines, focusing on the VP44
rotary injection pump as a significant milestone in this
evolution. It delves into both the mechanical and electrical
design of test benches, highlighting their critical role in
assessing the performance and safety of these pumps. It also
provides essential guidelines for proper maintenance and safety
during the operation of these systems, emphasizing the need for
preventive measures such as isolation from electrical current
and the use of personal protective equipment.
Keywords— Diesel engine, Electronic control, Injection
pump, Mechanical design.
I INTRODUCCIÓN
En el contexto actual de la industria automotriz, la
búsqueda constante de mejoras en el rendimiento y la
eficiencia de los motores diésel ha llevado a una notable
evolución en los sistemas de inyección de combustible.
La introducción del control electrónico en estos motores
ha sido un hito significativo en este proceso de
transformación. Como señala Parera (2008), "El motor
diésel es el elemento en el que más tarde se incorporó el
control electrónico dentro de las aplicaciones para
vehículos". Este avance ha permitido a los fabricantes de
vehículos no solo reducir las emisiones contaminantes,
sino también mejorar la durabilidad y eficiencia de los
motores diésel.
La bomba de inyección rotativa VP44, desarrollada
por Bosch, ha sido un componente clave en esta
evolución. Fabricada a partir de 1996, la VP44 marcó un
cambio importante al permitir una regulación electrónica
más precisa del proceso de inyección de combustible.
Esta bomba, como señala Imperial (2010), incorpora un
microcontrolador que optimiza el aprovechamiento del
poder calorífico del diésel, resultando en un motor más
silencioso y eficiente.
Además, la integración del control electrónico en el
diseño de los bancos de pruebas para estas bombas ha sido
fundamental para garantizar su rendimiento y seguridad.
El diseño mecánico de estos bancos, junto con su circuito
eléctrico, permite evaluar de manera precisa el
funcionamiento de la bomba VP44 en condiciones reales,
como se detalla en el trabajo de Mott (2006) y Shigley
(octava edición).
En resumen, el control electrónico diesel (EDC) ha
revolucionado la industria automotriz al ofrecer un
sistema de inyección de combustible más eficiente y
preciso. Este avance, representado por la bomba VP44 y
los bancos de pruebas diseñados para su evaluación,
demuestra el constante progreso en la ingeniería de
sistemas de propulsión diésel
II MÉTODOS Y MATERIALES
En esta investigación, se emplearon diversos métodos
y materiales para el estudio del control electrónico diésel
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EDC y la bomba de inyección rotativa VP44 [1]. Para
evaluar el funcionamiento de estos sistemas, se llevaron
a cabo las siguientes actividades:
Se realizó un análisis exhaustivo del control
electrónico diésel EDC, centrándose en su capacidad para
regular la inyección de combustible en motores diesel [4].
Se estudiaron los principios de funcionamiento de este
sistema, así como su aplicación en la optimización del
rendimiento del motor, reducción de emisiones y mejora
en la eficiencia del combustible.
Se examinaron las características técnicas y el diseño
de la bomba de inyección rotativa VP44 fabricada por
Bosch [5]. Esto incluyó la evaluación de sus
componentes, su estructura interna y su capacidad para
generar presiones de combustible adecuadas para la
inyección en el motor.
Se llevó a cabo un análisis detallado de la unidad de
control de la bomba VP44, destacando su funcionamiento
como una computadora personal que procesa datos y
calcula señales de salida [6]. Se estudiaron las
características de su placa de circuitos impresos, su
capacidad de respuesta en tiempo real y su adaptación al
entorno de funcionamiento del vehículo.
Se desarrolló un diseño mecánico para un banco de
pruebas de bomba de inyección rotativa VP44 [1], con el
objetivo de simular condiciones reales de funcionamiento
y evaluar el rendimiento de la bomba en diferentes
situaciones. Se diseñaron componentes como el acople
motor-bomba, el disco flexible del acople y la cámara de
inyección.
Se diseñó un circuito eléctrico para el banco de
pruebas, considerando los requisitos de funcionamiento y
seguridad del equipo [2]. Se elaboraron diagramas de
circuito para el control electrónico y la conexión de los
componentes del banco de pruebas.
Finalmente, se establecieron parámetros de
funcionamiento para el banco de pruebas [3], definiendo
valores de RPM, tiempo y caudal de combustible para las
pruebas experimentales. Estos parámetros se utilizaron
como referencia para evaluar el rendimiento de la bomba
de inyección VP44 en condiciones simuladas.
En cuanto a los materiales utilizados, se emplearon
herramientas de análisis y diseño asistido por
computadora, así como equipos de medición y pruebas de
laboratorio [4]. Además, se utilizaron componentes
electrónicos y mecánicos específicos para la construcción
del banco de pruebas y la implementación del sistema de
control electrónico.
.
III PRUEBAS Y RESULTADOS
La bomba de émbolos radiales VP44 Figura 1 se
introdujo en el mercado a principios de 1996, fabricada
en la planta de Feuerbach en Alemania. En el año 2001,
Bosch lanzó una versión mejorada de la VP44, diseñada
para operar tanto con una tensión de red de 12 voltios
como opcionalmente con 24 voltios, lo que la hace
adecuada para una variedad de aplicaciones en vehículos
ligeros e industriales. Esta bomba se distingue fácilmente
por su conector de 9 pines en la parte posterior, que
conecta las salidas de combustible a las cañerías, y por la
presencia de un microcontrolador en la parte superior.
Este microcontrolador contribuyó a optimizar el
rendimiento de la bomba al aprovechar de manera más
eficiente el poder calorífico del diesel. Aunque la bomba
utiliza un sistema de comunicación CAN BUS, aún activa
inyectores mecánicos, lo que la convierte en una opción
versátil y eficiente para sistemas de inyección de
combustible diésel [4].
Figura 1.- Bomba rotativa VP44
Para la instalación de un sistema de inyección diesel
con una bomba VP44, es imperativo contar con dos
unidades de control: una para regular el motor y otra para
controlar la bomba. Estas unidades son esenciales para
evitar el sobrecalentamiento de ciertos componentes
electrónicos y para prevenir la interferencia de señales
parásitas, que pueden surgir debido a corrientes elevadas
en la bomba de inyección. Mientras la unidad de control
de la bomba registra y procesa las señales de los sensores
internos relacionados con el ángulo de rotación y la
temperatura del combustible para determinar el momento
óptimo de inyección [5].
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La unidad de control del motor asume la
responsabilidad de procesar todos los datos provenientes
del motor, incluyendo las señales de una variedad de
sensores externos. Estos sensores pueden abarcar desde
los sensores de presión absoluta del colector (MAP),
caudalímetro de masa de aire (MAF), posición del
acelerador (TPS), hasta sondas lambda, sensores de
golpeteo y de temperatura del refrigerante, entre otros.
Además de estas señales, la unidad de control del motor
también interactúa con los actuadores y el sistema CAM
BUS, facilitando así el intercambio y evaluación de datos
críticos para la inyección de combustible [1].
El sistema de alimentación de las bombas VP44 se
divide en dos componentes principales: el sistema de baja
presión y el sistema de alta presión. Estos sistemas
trabajan en conjunto para garantizar un suministro de
combustible óptimo a la bomba de inyección,
permitiendo así un funcionamiento eficiente y preciso del
motor diésel [4].
Figura. 2.- Sensores y actuadores de la bomba
VP 44
La unidad de control de la bomba VP44 en los
vehículos opera inicialmente como una computadora
personal, encargada de la lectura y cálculo de señales de
salida. En su núcleo, reside una placa de circuito impreso
con un microcontrolador, fabricado con técnicas de
microelectrónica. Sin embargo, esta unidad debe cumplir
con exigencias adicionales, tales como la capacidad de
operar en tiempo real, la seguridad de servicio y la
adaptación al entorno circundante [5].
En términos de capacidad en tiempo real, la unidad de
control debe satisfacer las demandas de respuesta rápida
de la regulación. Debe ajustarse al ritmo del proceso
físico, como las RPM del motor, para garantizar un
funcionamiento eficiente [4].
Para adaptarse al espacio y peso dentro del vehículo,
se emplean técnicas como la técnica multicapas, que
dispone redes de conductores impresos en varias capas, y
componentes SMD, que se montan en la superficie de la
placa sin conexiones de paso ni taladros. Además, se
utilizan ASIC, componentes integrados diseñados
especialmente para reunir múltiples funciones. La
seguridad de servicio se logra mediante un proceso de
cálculo redundante y diagnóstico integrado,
proporcionando una gran fiabilidad contra anomalías [6].
La influencia del ambiente en el funcionamiento
electrónico se aborda considerando parámetros como la
temperatura, la compatibilidad electromagnética, la
resistencia a las vibraciones y la estanqueidad. Las
unidades de control deben resistir temperaturas de
servicio continuo desde -40°C hasta 60°C, con casos
extremos alcanzando hasta 125°C. Además, deben estar
protegidas contra interferencias electromagnéticas y
soportar hasta 30 veces la aceleración terrestre debido a
vibraciones. La resistencia a la humedad, líquidos
químicos y niebla salina también se considera crucial para
su funcionamiento [6].
Figura 3.- Puerto de conexión del módulo de control
El diseño mecánico del banco de pruebas para la
bomba de inyección rotativa VP44 con mandos
electrónicos en motores diesel se desarrolló con el
objetivo de cumplir con los requisitos de funcionalidad y
seguridad necesarios para este tipo de equipos. Se partió
de un modelo preliminar de los componentes mecánicos,
los cuales fueron optimizados durante la etapa de cálculo
hasta llegar al diseño definitivo presentado en este
capítulo [7].
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Figura 4.- Componentes del Banco de Pruebas
La Figura 4 muestra los principales componentes que
forman parte del banco de pruebas, incluyendo el tablero
de control, la placa para soporte de las probetas, la placa
para bloqueo de los inyectores, la placa de soporte de los
inyectores, la cámara de inyección, el acople entre la
bomba y el motor, el motor de corriente alterna, filtros
como el Racor y el de combustible, la bomba de
inyección, ruedas para movilidad, la estructura de soporte
del banco y la batería [6].
Los principales parámetros de diseño fueron
determinados considerando las especificaciones técnicas
de equipos similares en el mercado y los recursos
económicos disponibles. Estos parámetros incluyen la
potencia del motor de corriente alterna (3 hp), la
velocidad nominal de giro del motor (1750 rpm), el tipo
de bomba rotativa de inyección (Bosch VP 44), el número
de inyectores en la cámara (4) y un factor de seguridad
mínimo requerido de 3 [3].
El diseño del acople entre el motor y la bomba de
inyección es crucial para transmitir el torque del motor a
la bomba sin deformaciones. Este elemento debe ser
capaz de soportar el torque generado por el motor sin
sufrir daños [1].
Figura 5.- Modelo del Acople Motor – Bomba
DISEÑO DEL DISCO FLEXIBLE DEL ACOPLE
El disco flexible del acople se instala entre los
elementos del acople motor-bomba y tiene la función de
mantener sellado el conjunto y permitir cierto grado de
desalineación entre el eje del motor y la bomba. Debe ser
capaz de soportar el torque transmitido por el motor [2].
Figura 6.- Modelo del disco flexible
La cámara de inyección consta de varios elementos
mecánicos que sostienen y manipulan tanto los inyectores
como las probetas donde se inyecta el diesel. Por lo tanto,
el bastidor de la cámara debe soportar el peso de estos
componentes y las cargas generadas durante el proceso de
inyección [6].
Figura 7.- Modelo ensamblado de la Cámara de
Inyección
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Luego que se ha revisado todos los aspectos principales
para dar el arranque al banco de pruebas se debe de tomar
en cuenta lo siguiente: la bomba debe funcionar en estado
real, esto quiere decir que trabaja con un mínimo y un
máximo de RPM las cuales van dadas por el
accionamiento del motor eléctrico, teniendo en cuenta los
siguientes valores como reverencia en la toma de medida
en las probetas y los valores de presión en el manómetro.
Tabla 1.- Parámetros de funcionamiento
RPM
TIEMPO
CAUDAL
500
30
SEGUNDOS
15 CC
750
30
SEGUNDOS
24 CC
1.000
30
SEGUNDOS
30 CC
1.250
30
SEGUNDOS
36 CC
IV CONCLUSIONES
Los bancos de pruebas diseñados mecánica y
eléctricamente juegan un papel fundamental en la
evaluación del rendimiento y la seguridad de las bombas
de inyección VP44, proporcionando un entorno
controlado para pruebas exhaustivas.
El diseño mecánico del acople entre el motor y la
bomba, así como del disco flexible del acople, son
elementos críticos para garantizar la transmisión de
torque sin deformaciones y mantener el sellado adecuado
entre los componentes.
La unidad de control de la bomba VP44, actuando
como una computadora personal, desempeña un papel
clave en la optimización del proceso de inyección de
combustible, asegurando una respuesta rápida y precisa
en tiempo real.
La integración del control electrónico en los bancos
de pruebas, junto con consideraciones de seguridad como
el aislamiento eléctrico y el uso de equipo de protección
personal, garantiza la realización de pruebas seguras y
confiables.
Los parámetros de funcionamiento establecidos para
el banco de pruebas proporcionan una referencia clara
para evaluar el rendimiento de la bomba VP44 en
condiciones simuladas, contribuyendo a la mejora
continua de estos sistemas de inyección de combustible.
Es importante seguir refinando los diseños mecánicos
y eléctricos de los bancos de pruebas para garantizar su
capacidad para simular condiciones reales de
funcionamiento y proporcionar resultados precisos y
confiables.
Investigar nuevas técnicas de diseño y fabricación
para mejorar la resistencia y durabilidad de los
componentes mecánicos y electrónicos utilizados en los
sistemas de inyección de combustible diésel.
Establecer estándares de seguridad más estrictos para
la manipulación de sistemas de inyección de combustible,
especialmente cuando se trabaja con unidades de control
y bancos de pruebas que involucran corrientes eléctricas
REFERENCIAS
[1] R. L. Mott, "Diseño de Elementos de Máquinas", Pearson
Educación, México, 2006.
[2] J. E. Shigley, "Diseño en Ingeniería Mecánica", Octava
Edición.
[3] R. Mott, "Diseño de Elementos de Máquina", Cuarta
Edición.
[4] A. Marti Parera, "Inyección Electrónica en Motores
Diesel", España, 2008.
[5] J. Miralles de Imperial, "Bombas de Inyección Diesel",
España, 2010.
[6] M. Alulema, F. Mena, G. Cruz, "Diseño y Construcción de
un Banco de Pruebas de la Bomba de Inyección Rotativa
con Mandos Electrónicos en Motores Diesel (Chevrolet D-
Max)", 2013.
[7] F. M. Alulema Criollo, "Construcción de un banco de
pruebas de la bomba de inyección rotativa con mandos
electrónicos en motores diesel (Chevrolet D-Max 3.0)",
2013.
