Porsche pasa de la dosificación de combustible a la gestión total del motor y la inyección directa de combustible

Si bien la inyección electrónica de combustible (EFI) finalmente permitió a Porsche optimizar la medición y el suministro de combustible , el otro factor en la ecuación de combustión, el encendido, aunque también digitalizado, todavía funcionaba independientemente del sistema de combustible. Entonces, con las regulaciones de emisiones cada vez más estrictas y los clientes que buscaban más rendimiento, Porsche integró estos dos sistemas codependientes críticos en un único sistema electrónico de gestión del motor.

Esto supuso un punto de inflexión para Porsche. Utilizando el sistema L-Jetronic como base para los sistemas integrados de medición de combustible y control electrónico del tiempo de encendido, Bosch desarrolló la gama de ECU Motronic , denominada unidad de control DME (electrónica digital del motor) en Porsche.

En este artículo, analizaremos el Motronic DME de Porsche, así como la adopción por parte de la compañía de la inyección directa de combustible, a veces también denominada inyección directa de gasolina (GDI).

Porsche pasa de la medición del combustible a la gestión total del motor

Porsche utilizó por primera vez el Motronic DME en el 944 de 1983, seguido de cerca por el 928 y el 911 de 3,2 litros. Estas aplicaciones iniciales del sistema todavía presentaban inyección simultánea (todos los inyectores se inyectan al mismo tiempo) y, debido a que los controles digitales de encendido y sincronización idealmente requerían la medición precisa de la velocidad y posición del motor, el sistema estaba equipado con un par de sensores inductivos. . Por lo tanto, el sensor de velocidad del motor generó una señal analógica activada por los dientes de la corona de arranque, y el sensor de marca de referencia señaló el punto muerto superior para el cilindro n.º 1.

La unidad de control DME se basaba en un microprocesador central para convertir las diversas señales de entrada analógicas y digitales en la señal digital de onda cuadrada necesaria para controlar los inyectores de combustible. (Las señales analógicas se convierten utilizando el ADC, el convertidor analógico a digital). Los ajustes de ancho de pulso (y tiempo de encendido/permanencia) se controlaron mediante un mapa tridimensional almacenado en un chip "flash" EPROM (memoria de solo lectura programable y borrable).

Aunque en versiones posteriores del sistema de inyección del 911 CIS se utilizó un sistema básico de sensor de oxígeno/retroalimentación de circuito cerrado (sensor Lambda), el Motronic DME de Porsche integró un sensor de oxígeno calentado directamente en el sistema. Esto permitió la optimización del funcionamiento del convertidor catalítico, junto con una capacidad limitada para corregir mezclas de aire/combustible excesivamente pobres o ricas y ajustar el tiempo de encendido (permanencia).

El 944S de 16 válvulas de 1987 presentaba un sistema Motronic actualizado, que agregaba un sensor de efecto Hall y una rueda de gatillo al accionamiento del distribuidor, lo que permitía a la unidad de control DME determinar qué cilindro estaba disparando en un punto determinado. Este sensor de posición del árbol de levas permitió al DME retardar el tiempo de encendido de cilindros individuales en respuesta a cualquier evento de detonación (según lo detectado por un par de sensores de detonación dedicados instalados en el bloque del motor), además de permitir una verdadera inyección de combustible secuencial. Al programar cada evento de inyección para que ocurriera justo antes de que se abriera cada válvula de admisión, se podrían aprovechar todos los beneficios de la atomización del combustible desde la punta del inyector, lo que resultó en un mejor consumo de combustible y emisiones, y una conducción más suave en ralentí y con aceleración parcial.

El 928 S4 de 1987 y el 964 de 1989 se beneficiaron de manera similar de este sistema Motronic actualizado, que también podía almacenar códigos de falla para un número limitado de condiciones de funcionamiento irregulares. Para ayudar en el diagnóstico, estos códigos de falla se pueden leer utilizando la herramienta de escaneo Porsche System Tester (PST).

El otro desafío que Porsche buscó superar fue la medición precisa y confiable del flujo de aire en el motor. Si bien los medidores de flujo de aire mecánicos demostraron ser bastante confiables , eran propensos a desgastar las pistas del limpiaparabrisas eléctrico y un fuerte retroceso a través de la entrada podría dañar físicamente la unidad al hacer que la paleta móvil se arrastre o se atasque.

Más importante aún, el medidor de flujo de aire en sí representaba una restricción al flujo de aire, lo que se estaba convirtiendo en un problema a medida que aumentaba la cilindrada del motor de Porsche. Sin embargo, contrariamente a la creencia popular, esta restricción no fue causada por la paleta en sí (los datos de las pruebas de Bosch muestran una caída de presión de solo 0,017 psi a través de ella), sino debido a la ranura rectangular relativamente pequeña necesaria para medir el flujo de aire.

Es más, el flujo de aire que entra al motor, medido tanto por los sistemas de densidad de velocidad como por flujo de aire de paletas, era tradicionalmente una estimación indirecta de la masa de aire. La relación ideal (estequiométrica) aire/combustible de un motor de gasolina para quemar todo el combustible (que es aproximadamente 14,7 partes de aire por 1,0 parte de combustible) se basa más eficazmente en la masa de los elementos involucrados.

Por lo tanto, el 928 de 32 válvulas vio el primer uso por parte de Porsche de un sensor de flujo de aire masivo ( MAF ) de hilo caliente para reemplazar el medidor de flujo de aire de paletas de sistemas anteriores (el 968 de 1992 presentaba un sensor MAF , pero el 911 no recibió esta actualización hasta la introducción). de la serie 993 en 1994). El sensor MAF utilizaba cables calentados eléctricamente montados dentro de un tubo calibrado para coincidir con las características del flujo de aire del motor.

La unidad de control DME monitoreó la corriente requerida para mantener una temperatura constante del cable. Un aumento en la masa de aire que pasa a través del sensor enfrió los cables, lo que requirió que el DME aumentara la corriente para mantener la temperatura preestablecida de los cables. La señal MAF así generada se utilizó para medir con precisión la masa real del aire que fluye hacia el motor, lo que mejoró enormemente la precisión de la señal de carga del motor y, por tanto, la precisión de la cantidad de combustible inyectada.

Para el año modelo 1996, los 993 con destino a EE. UU. presentaban capacidades de diagnóstico a bordo de segunda generación (OBD-II) exigidas por el gobierno . Mientras que los sistemas anteriores ( OBD -I) sólo podían detectar fallos de funcionamiento básicos, como un sensor de oxígeno completamente inoperativo o un circuito abierto o un cortocircuito en el cableado de un sensor, el OBD -II monitoreaba el estado de los distintos sistemas de control de emisiones a bordo.

Un sensor de oxígeno adicional aguas abajo de cada catalizador monitoreaba el estado del convertidor catalítico y las fallas de encendido del motor que dañaban el catalizador podrían detectarse al monitorear cualquier desaceleración repentina del cigüeñal (y el cilindro infractor podría identificarse al monitorear la correlación entre los sensores de posición del árbol de levas y del cigüeñal) . También se monitoreó el funcionamiento del sistema de inyección de aire secundario, junto con el del sistema de evaporación/recuperación de vapores de combustible (razón por la cual una tapa de llenado de combustible floja puede provocar una luz de “revisar motor” en los autos OBD -II).

El 986 Boxster y los 911 de la generación 996/997 presentaron una evolución del sistema Bosch Motronic con controles de sincronización variable del árbol de levas VarioCam (que en realidad debutó en el Porsche 968 con motor delantero de 1992), que requirió un diseño de sensor de efecto Hall más elaborado para medir con precisión. la posición del árbol de levas.

El control electrónico del acelerador (drive-by-wire) apareció en el 996 Carrera 4 de 1999 y en todos los motores del año 2000, lo que permitió la integración de la función de reducción de par del Porsche Stability Management ( PSM ).

El 996 Carrera de 3,6 litros de 2002 y todos los Boxster de 2003 también vieron la introducción de un sistema de combustible "sin retorno". Este sistema eliminó la línea de retorno de combustible desde el compartimiento del motor al tanque, y solo la cantidad de combustible requerida por el motor se alimentaba a los rieles de combustible. Esto superó el problema del combustible calentado que regresaba al tanque de combustible, lo que aumentaba las emisiones de combustible por evaporación.

Mientras que el Motronic DME hizo un excelente trabajo al dosificar el combustible y entregarlo junto con la chispa exactamente en el momento adecuado para una combustión optimizada, el proceso de combustión podría mejorarse aún más si el combustible se inyectara directamente en la cámara de combustión.

Inyección directa de combustible: el capítulo final en la búsqueda de Porsche por optimizar la combustión

En un motor de inyección de combustible tradicional, el combustible se inyecta en el colector de admisión donde se mezcla con el aire. Esta mezcla de aire y combustible luego se alimenta a la cámara de combustión cuando se abren las válvulas de admisión.

Porsche ha utilizado este principio básico de abastecimiento de combustible desde la introducción de la inyección mecánica de combustible en el 911 en los años 1960 . Sin embargo, a partir del Cayenne en 2007, Porsche renovó toda su gama de motores con la última tecnología de inyección directa de combustible (DFI).

DFI, como su nombre indica, inyecta el combustible directamente en la cámara de combustión, dejando que el aire puro pase a través del colector de admisión. Este cambio fue particularmente pertinente para la segunda generación del 997, donde la actualización significó la primera revisión importante de la tecnología de inyección de combustible del automóvil deportivo en 40 años.

Al inyectar combustible directamente en el cilindro a presiones de hasta casi 2000 psi (aproximadamente 137 bar), se logra una mejor vaporización y una distribución uniforme de la mezcla de aire y combustible. El DFI también permite inyectar el combustible más cerca de la fuente de ignición (las bujías), produciendo un frente de llama más uniforme. Esto permite una mezcla más pobre de lo que sería posible de otra manera, lo que resulta en una mejora en la economía de combustible y las emisiones.

El DFI también mejora el enfriamiento de la cámara de combustión, lo que permite utilizar mayores relaciones de compresión, lo que nuevamente resulta en una mayor eficiencia y potencia.

Es más, los ángulos del cono de los inyectores de combustible de los inyectores de orificios múltiples del motor 9A1 (código de modelo de motor Porsche para los DFI de seis cilindros planos vistos en los modelos 997.2 y 991, incluidos Turbos y GT3 posteriores) se calcularon específicamente para optimizar el par, la potencia de salida, consumo de combustible y emisiones.

Inyectar el combustible directamente en la cámara de combustión también permite que el sistema DFI active múltiples pulsos del inyector durante una sola fase de combustión. En el motor 9A1, Porsche utiliza hasta tres impulsos durante los arranques en frío y las cargas elevadas del motor: el primero para acelerar el calentamiento del catalizador y el segundo para optimizar el par.

El sistema de gestión del motor puede regular individualmente la sincronización de la inyección para cada cilindro del motor de seis cilindros, mientras que también se puede controlar la velocidad de inyección para cada banco.

Para asegurarse de que el combustible se quema de la manera más eficiente posible, los gases de escape son monitoreados por sensores Lambda (oxígeno) en el sistema de escape que retroalimentan a la unidad de control, lo que permite realizar ajustes precisos de "circuito cerrado" en el mezcla en tiempo real.

Durante más de sesenta años, Porsche ha empleado continuamente tecnologías de vanguardia para garantizar una combustión limpia y eficaz del combustible en sus legendarios motores de combustión interna de gasolina . Se puede decir con seguridad que los actuales sistemas de gestión del motor de Porsche con electrónica digital del motor e inyección directa de combustible siguen siendo los mejores de su clase en cuanto a entrega de potencia, facilidad de conducción y emisiones del tubo de escape.

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