la preparacion de la mezcla de aire y combustible son necesarios para el arranque del mismo motor y asi pueda impulsarse asiendo una praparacion exacta

Preparación de la mezcla aire-combustible para el motor

Para que el motor de gasolina funcione adecuadamente, debe prepararse la mezcla de aire y combustible de manera adecuada. Esta mezcla comienza a formarse desde el punto donde se unen gasolina y aire, continua por el conducto de admisión, luego durante la carrera de admisión del pistón y termina durante la carrera de compresión, en la cual el calentamiento del aire debido al incremento de la presión (los gases se calientan cuando se comprimen) evapora la gasolina y la mezcla íntimamente con el aire.
Químicamente hablando, existe una cantidad exacta de aire (que proporciona el oxígeno) para hacer la combustión de la gasolina sin que sobre ni aire ni combustible, esta cantidad se llama relación estequeométrica, y para las gasolinas comerciales, está entre 14 y 15 veces la cantidad de aire en peso, por la cantidad de gasolina, pero en la práctica, en el motor real no puede usarse esa relación porque parte del combustible saldría por el escape sin quemar, debido al escaso tiempo que tienen para encontrarse y reaccionar los miles de millones de moléculas de oxígeno, con las otras tantas de combustible. Ilustremos la situación de la combustión dentro del cilindro con el ejemplo siguiente.
Supongamos que vamos a un gran baile con 5000 mujeres (combustible), y 5000 hombres (aire), y que este; solo dure unos 30 minutos, la posibilidad de que todas las mujeres encuentren un hombre con quien bailar, es muy remota, y lo mas probable es que se acabe el baile, y todavía queden parejas sin formarse, no obstante, si la cantidad de hombres es mayor que la de mujeres, la probabilidad de que las féminas no encuentren pareja es mucho menor, aunque sobren hombres que no bailarán con nadie. Del mismo modo se hace en el motor de combustión interna, se introduce al cilindro mas aire del estequeométricamente necesario, para garantizar el quemado total del combustible cuando se quiere obtener gases de escape limpios de combustible sin quemar.
Esta cantidad de exceso de aire no puede ser indiscriminada, ya que si es demasiado grande, parte de la energía de la gasolina se gasta calentando el aire sobrante, que luego es desechada por el escape reduciendo la potencia y eficiencia del motor, de manera que hay un óptimo que los dispositivos de preparación de la mezcla tratan de seguir lo mejor posible.
De acuerdo a los requerimientos a que se destine el motor, este "óptimo" puede ser variable siguiendo mas o menos estas reglas generales:

1. Para obtener la máxima potencia se usa algo menos de aire que el necesario.
2. Para obtener la menor producción de gases tóxicos por el escape se una con mas aire del necesario.

Esta proporción puede variar desde el 95 al 125% de la cantidad de aire estequiométrico.
Es bueno aclarar aquí, que para la marcha en vacío (ralentí) o "en baja", resulta necesario usar una mezcla rica en gasolina si se quiere un trabajo estable del motor, por tal motivo este es el régimen mas contaminante del motor, y es el clásico problema de contaminación durante congestión de vehículos en las vías, en las grandes ciudades. Lo mismo sucede cuando el acelerador se pisa a fondo para obtener potencia elevada; por ejemplo para adelantar otro vehículo, aquí también debe usarse una mezcla pobre el aire (óptimo para gran potencia).
Un gráfico genérico de como debe ser la mezcla para un motor de automóvil real es como sigue:

Observe que para la marcha en vacío la mezcla se enriquece, haciéndose menor la cantidad de aire (relación aire/combustible disminuye). Luego se establece para los regímenes de trabajo normales del motor a niveles muy próximos a la mezcla óptima (posiciones intermedias del acelerador), para enriquecerse después cuando el motor marcha a gran potencia (acelerador cerca del máximo).

Los dispositivos de preparación de la proporción aire-gasolina de la mezcla pueden ser de dos tipos:

1.- El carburador
2.- La inyección de gasolina

Carburador

Los motores de gasolina reciben en el volumen de trabajo sobre el pistón una mezcla de aire y combustible previamente preparada por un dispositivo externo, luego esta mezcla se inflama al saltar la chispa en la bujía y produce un incremento de presión que se convierte en trabajo útil a la salida del cigüeñal. La mezcla de aire y combustible en los motores actuales se logra por dos vías: con el uso del carburador y a través de la inyección de gasolina. Tradicionalmente para producir la mezcla aire-gasolina de los motores se ha utilizado el carburador, pero en los últimos años este ha caído en desuso para los automóviles. El nombre deriva de la palabra carburante que es como se denominaba (y aun se usa) para nombrar al combustible proveedor de la energía del motor.

Contenido del artículo El efecto Vénturi El carburador elemental Mejorando el carburador elemental

Este dispositivo nacido con los comienzos del motor de manera muy simple, fue evolucionando hasta convertirse en verdaderos ingenios neumo-mecánicos que se ajustaban cada vez más adecuadamente a las necesidades del motor, así como a los requerimientos de control de contaminación elaborados por los gobiernos. Aunque aun son muchos los automóviles que funcionan con carburadores, han ido siendo sustituidos por la inyección de gasolina y puede decirse que la era del carburador está tocando a su fin en el uso automotriz, aunque quedará todavía por mucho tiempo en otros motores como los pequeños motores estacionarios, las motocicletas y similares, donde la complejidad de la inyección de gasolina es un gran problema. Inyección de gasolina en el motor. Aunque el carburador nacido con el motor, se desarrolló constantemente hasta llegar a ser un complejo compendio de cientos de piezas, que lo convirtieron en un refinado y muy duradero preparador de la mezcla aire-gasolina para el motor del automóvil en todo el rango de trabajo, no pudo soportar finalmente la presión ejercida por las reglas de limitación de contaminantes emitidas por las entidades gubernamentales de los países mas desarrollados y fue dando paso a la inyección de gasolina, comenzada desde las décadas 60-70s principalmente en Alemania, pero que no fue tecnológicamente realizable hasta que no se desarrolló lo suficiente la electrónica miniaturizada. La diferencia conceptual fundamental entre los dos tipos de preparación de la mezcla, es que en el carburador se hace básicamente de acuerdo a patrones mas o menos fijos, establecidos de fábrica, que con el uso se van alterando hasta sacarlo de los estrechos índices permitidos de producción de contaminantes, mientras que la inyección de gasolina tiene sensores en todos los elementos que influyen en el proceso de alimentación y escape del motor y ajusta automáticamente la mezcla para mantenerlos siempre dentro de las normas, a menos que se produzca una avería en el sistema. Es notoria la mayor complejidad de la inyección de gasolina con respecto al carburador, lo que la encarece, pero no hay hasta ahora, ningún otro sistema que garantice la limpieza de los gases requerida para mantener la atmósfera respirable en las zonas de tránsito urbano intenso actual. Para describir como funciona utilizaremos el diagrama de bloques siguiente en la figura 1. Figura 1. Diagrama de bloques de la inyección de gasolina Colocado en el conducto de admisión del motor existe una electroválvula conocida como inyector, que al recibir una señal eléctrica, se abre y deja pasar la gasolina al interior del conducto. La linea de entrada al inyector tiene una presión fija mantenida desde el depósito, por una bomba eléctrica asistida por un regulador de presión. El tiempo de duración de la señal eléctrica y con ello la cantidad de gasolina inyectada, así como el momento en que se produce la inyección, los determina la unidad procesadora central en consecuencia con la posición de la mariposa de entrada de aire al motor y las señales emitidas por un grupo de sensores que miden los factores que influyen en la formación de la mezcla. La clave de la inyección de gasolina es la unidad procesadora central (UPC) o unidad central electrónica (UCE), que es un miniordenador cuya señal de salida es un pulso eléctrico de determinada duración en el momento exacto que hace falta (durante la carrera de admisión) al, o los inyectores. La señal principal para hacer la decisión del tiempo de apertura del inyector la recibe de una mariposa colocada en el conducto de admisión en cuyo eje hay montada una resistencia eléctrica variable, así la posición de la mariposa es interpretada por la UPC como mas o menos aire al cilindro y por lo tanto mas o menos necesidad de gasolina, regulada a través del tiempo de apertura del inyector. El momento exacto de comenzar la apertura del inyector viene de un sensor de posición montado en el árbol de levas o el distribuidor, que le indica a la UPC cuando están abiertas las válvulas de admisión y por lo tanto se está aspirando el aire que arrastrará al interior del cilindro la gasolina inyectada en el conducto de admisión. Este trabajo lo hace la UPC utilizando un tiempo básico que viene con él por defecto y que hace funcionar el motor en condiciones normales, pero que no son las óptimas para el trabajo del motor en otras condiciones. Para ajustar con exactitud el tiempo de apertura de los inyectores y obtener la máxima eficiencia y la mínima emisión de gases tóxicos, la UPC tiene en cuenta un grupo de otras entradas que llegan a él, procedentes de varios sensores, que vigilan el comportamiento de los factores que influyen en el proceso de combustión, estas entradas son procesadas electrónicamente y sirven para modificar el tiempo de apertura del inyector a la cantidad exacta. Las UPC están preparadas para ignorar los sensores cuando hay una avería de algunos de ellos, o están dando señales fuera del rango normal, y continuar con el programa básico, para permitir el funcionamiento del motor hasta llegar al taller de reparaciones. Este programa básico no se pierde aunque la UPC se quede sin alimentación eléctrica al desconectar la batería con el motor apagado como es frecuente oír. De acuerdo al refinamiento el sistema de inyección puede ser mas o menos complejo y tener mas o menos sensores, pero en general están compuestos por las partes básicas siguientes. Los inyectores El sistema de gasolina presurizada Mariposa de aceleración Los sensores La unidad procesadora central (UPC) Inyector de gasolina El inyector es el encargado de pulverizar en forma de aerosol la gasolina procedente de la linea de presión dentro del conducto de admisión, es en esencia una refinada electroválvula capaz de abrirse y cerrarse muchos millones de veces sin escape de combustible y que reacciona muy rápidamente al pulso eléctrico que la acciona. El esquema que sigue ilustra el proceso de inyección de combustible. Figura 1 El dibujo de la figura 1 representa un motor de pistones durante la carrera de admisión, observe la válvula de admisión abierta y el pistón en la carrera de descenso. El aire de admisión se representa por la flecha azul. Colocado en el camino del aire de entrada se encuentra el inyector de combustible, que no es mas que una pequeña electroválvula que cuando recibe la señal eléctrica a través del cable de alimentación se abre, dejando pasar de forma atomizada como un aerosol, la gasolina a presión, que es arrastrada al interior del cilindro por la corriente de aire. El tiempo de apertura del inyector así como la presión a la que se encuentra la gasolina determinan la cantidad inyectada. Estos dos factores, presión y tiempo de apertura, así como el momento en que se realiza, son los que hay que controlar con precisión para obtener una mezcla óptima. Aunque parezca simple el trabajo del inyector, en realidad puede considerarse una maravilla de la tecnología teniendo en cuenta que: Cuando un pequeño motor funciona en ralentí el volumen de gasolina inyectada equivale al de una cabeza de alfiler y lo hace con mucha precisión. El tiempo que tiene para inyectar la gasolina cuando el motor gira a unas 4000 RPM es de solo 0.00375 segundos es decir algo mas de 3 milésimas de segundo, en ese tiempo debe abrirse y cerrarse con gran exactitud. ¿No les parece casi imposible? El esquema que sigue (figura 2) representa una vista del inyector real Figura 2 Así luce un inyector de gasolina real, en él puede verse una bobina eléctrica que cuando se energiza levanta la armadura que sube la aguja y deja abierto el paso del combustible a la tobera por donde sale pulverizado, una vez que cesa la señal eléctrica, la propia presión del combustible empuja la armadura que funciona como un pistón y aprieta la aguja contra el asiento cerrando la salida completamente.             Mariposa de aceleración en la inyección de gasolina Al igual que en el carburador la velocidad y potencia del motor se regula con una mariposa interpuesta en el conducto de admisión, que permite mayor o menor entrada de aire al cilindro del motor para la combustión. Es evidente que cuanto mas esté abierta la mariposa, mayor será el llenado del cilindro y por tanto será mayor también la cantidad de combustible que debe inyectarse, por tal motivo acoplado al eje de la mariposa hay una resistencia eléctrica variable que envía al UPC a través de un cable un valor de resistencia diferente para cada posición de la mariposa, la UPC a su vez interpreta esto como un grado de apertura de la mariposa, o lo que es lo mismo un llenado del cilindro determinado, lo que le sirve para decidir el tiempo de apertura del inyector para formar la mezcla óptima de acuerdo a su programa básico. Como eso no es estrictamente cierto y el llenado real del cilindro depende también de otros factores como; la altitud del lugar donde funcione el motor, la mayor o menor resistencia al paso del aire que tenga el filtro, la velocidad de rotación así como la temperatura y humedad del aire exterior, se proveen otros sensores que miden estas variables y también envían sus señales a la UPC para corregir con exactitud el tiempo de apertura y lograr la mezcla óptima real. Un esquema de esta mariposa puede ser como sigue Teóricamente para cada apertura de la mariposa se obtiene un llenado determinado del cilindro lo que es enviado a la UPC como un valor de la resistencia eléctrica acoplada al eje (potenciómetro). Esta es utilizada como señal primaria para determinar el tiempo de apertura del inyector y por lo tanto la cantidad de gasolina inyectada. Los factores adicionales que influyen en el llenado del cilindro lo hacen de la manera siguiente Altitud: A medida que la altura del lugar donde funcione el motor sea mayor, la presión atmosférica y la densidad del aire se reducen por lo que el llenado del cilindro se hace menor. Filtro: Si el filtro está parcialmente obstruido por el uso, introduce una resistencia adicional al paso del aire y por lo tanto el cilindro se llena peor. Velocidad de rotación: Cuando el motor gira rápidamente, la velocidad del aire por los conductos de admisión crece y con ello crece también la resistencia al paso por lo que a mas velocidad menos llenado. Temperatura del aire: El aire frío es mas denso, por lo que hay mas aire en peso, con aire frío que con aire caliente para el mismo volumen. En la práctica significa que con aire frío el cilindro se llena mas. La humedad: La humedad que contiene el aire es vapor de agua y no es aire, por lo que no participa en la combustión, su importancia no es muy significativa por lo que por lo general no se tiene en cuenta como entrada a la UPC.