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Análisis de emisiones en un motor a gasolina con sistema de
inyección directa e indirecta multipunto
Gasoline engine emissions analysis multipoint direct and indirect injection
system
José Andrés Beltrán Ruiz
1
2
Resumen:
La tecnología de los vehículos ha mejorado en busca de disminuir el consumo de
combustible, aumentar la eficiencia en los motores de combustión interna, además,
que se ha generado una disminución de la cilindrada del motor. La presente
investigación es de campo cuasiexperimental, cuyo objetivo fue analizar los niveles
de contaminación que generan vehículos de una misma cilindrada, pero con diferente
sistema de alimentación de combustible, las pruebas de gases contaminantes que se
realizaron fueron en base a la norma INEN NTE 2203:2013, encargada de determinar
los parámetros a seguir para realizar las mediciones de contaminación estáticas en
un motor de gasolina. Las emisiones generadas en el sistema de alimentación con
inyección multipunto en lo referente a partículas de hidrocarburos no combustionados,
son significativamente menores a las que se presentan en el sistema de inyección
directa, con el uso de cualquier tipo de gasolina, la cantidad en partículas por millón
de hidrocarburos no combustionados, presentando una diferencia de 29,25 ppm en el
sistema GDI, frente a los 0,75 del sistema multipunto. Determinándose que el sistema
de alimentación que mayores emisiones genera es el sistema de inyección directa al
usarse gasolina extra y el sistema que menores emisiones genera es el sistema de
inyección multipunto, con gasolina super, que en el Ecuador tiene 92 octanos.
Palabras clave: Inyección directa, Inyección multipunto, Análisis de gases,
Downsize, INEN NTE 2203:2000
Abstract:
Vehicle technology has improved in search of reducing fuel consumption, increasing efficiency
in internal combustion engines, in addition, a decrease in engine displacement has been
generated. The present investigation is quasi-experimental in the field, whose objective was
to analyze the pollution levels generated by vehicles of the same displacement, but with
different fuel supply systems, the polluting gas tests that were carried out were based on the
INEN NTE 2203 standard. :2013, in charge of determining the parameters to follow to carry
out static pollution measurements in a gasoline engine. The emissions generated in the
multipoint injection fuel system in terms of uncombusted hydrocarbon particles are significantly
1
Instituto Superior Universitario Central Tecnico, Magister en Ecoeficiencia Industrial Mención en
Eficiencia Energética, https://orcid.org/0000-0003-2394-0815
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lower than those that occur in the direct injection system, with the use of any type of gasoline,
the amount of particles per million non-combustible hydrocarbons, presenting a difference of
29.25 ppm in the GDI system, compared to 0.75 in the multipoint system. Determining that the
power system that generates the highest emissions is the direct injection system when using
extra gasoline and the system that generates the lowest emissions is the multipoint injection
system, with super gasoline, which in Ecuador has 92 octane.
Keywords: Direct injection, Multipoint injection, Gas analysis, Downsize, INEN NTE 2203:2000
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Introducción
El sistema de inyección de gasolina es el que permite controlar las emisiones
contaminantes, además de propiciar una relación estequiométrica más estable que
genera mayor potencia y torque en los vehículos; a nivel mundial el porcentaje de
emisiones que un vehículo debe generar cada vez es menor, debido a las
restricciones de gases contaminantes que son más estrictas.
Estudios realizados en universidades ecuatorianas develan que el cambio de un
sistema de alimentación por carburador a uno de inyección reprogramable es capaz
de mejorar el consumo de combustible en un 60,4% y las emisiones generadas se
reducen a un 45% (Casanova Kindelán et al., 2018), también se debe notar que la
presencia de un parque automotor que va en aumento ha contribuido a la generación
de emisiones contaminantes, esto debido a que para el 2021, se registra un número
de vehículos matriculados de 2.535.853 unidades, lo cual, determina que por cada
7,1 habitantes se tiene un vehículo matriculado de manera regular (Censos, 2023),
esta cantidad de automotores han generado inconvenientes principalmente en las
ciudades produciendo una gran polución y aglomeraciones.
Sumado a lo anterior, se observa que el costo del combustible en relación al
nivel de vida del país, lo que conlleva a la búsqueda de optimizar el consumo de
gasolina. Si bien en Ecuador no existe una regulación del subsidio acorde al contexto
nacional sobre las gasolinas extra y ecopais que son las más utilizadas por el
transporte público y privado, también, el nivel de octanaje no cumple con las
normativas mínimas que exigen los fabricantes, no obstante, en el afán de cumplir las
normativas estrictas principalmente en temas energéticos, los fabricantes han
perfeccionado el sistema de inyección directa de gasolina, que en base a lo estipulado
en los ciclos termodinámicos del motor pudo identificarse que mientas más cercano
se encuentre la distribución del combustible en un motor de encendido provocado,
más eficiente será esta máquina térmica (Taipe-Defaz et al., 2021).
Es importante destacar, que el sistema de alimentación del motor a gasolina es
el encargado de dosificar estequiométricamente la mezcla aire gasolina, siendo la
relación ideal 14,7 partes de aire por una de combustible, partiendo de este concepto
se ha generado un sistema de alimentación comandado electrónicamente, donde la
gasolina se inyecta dentro del cilindro del motor, tal como en los vehículos de ciclo
Diesel, este sistema se denomina de inyección directa o con sus siglas (GDI) y ha
permitido generar mejores prestaciones en cuanto al desempeño del motor a gasolina
(Milla et al., 2019), en comparación con los sistemas de alimentación mono punto y
multipunto que siguen presentes en los vehículos comercializados a nivel nacional.
Además, la rigurosidad de las normativas de contaminación principalmente de la
unión europea, apreciadas en la figura 1 han forzado a la industria a acoplarse a las
mismas, siendo cada vez más complicado que un motor de combustión interna logre
una reducción necesaria para su homologación y posterior comercialización, basados
a los parámetros contaminantes observados (La Comisión propone nuevas normas
Euro 7, 2022).
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La importancia de adaptarse a la tecnología europea radica en que gracias al
acuerdo de comercial de Ecuador con la unión Europea, firmado el 11 de noviembre
de 2016, ha permitido reducir de forma gradual el costo de los vehículos de esa
procedencia, es decir que cumplen con la normativa de emisiones exigida en el bloque
Europeo, por lo que la comercialización de automotores fabricados en Europa tuvo un
aumento en el año 2021 en el Ecuador, se preveía una comercialización de alrededor
de 8500 unidades («Aranceles de vehículos de la Unión Europea se redujeron en o
eliminan en 2022», 2022), pese a la guerra que se lleva a cabo, problemas de
logística, de semiconductores y la elevada inflación que se atraviesa nivel mundial,
todo ello, ha generado que los vehículos de procedencia europea están ganando
espacio en el Ecuador.
Figura 1
Valores por norma de las emisiones de gases contaminantes para
vehículos turismo
Nota. Límites de emisiones de gases contaminantes descritos por año,
tipo de motor, las mediciones se presentan en porcentajes y en partes
por millón, dependiendo del tipo de gas. Autocrash, (2019).
El sistema de inyección directa permite que para una misma cilindrada los
valores de torque y potencia en un motor a gasolina sean mayores, tal como se
aprecia en la tabla 1, cabe destacar que en la prueba el vehículo con sistema de
alimentación directa, contaba con un sistema de turbo alimentación (Beltrán Ruiz,
2020), es decir que el aire por acción de este sistema es forzado a ingresar en el
cilindro del motor, resultando un mejor llenado, razón por la cual, la cantidad de
combustible inyectada puede incrementarse y la combustión será más eficiente,
generando mejores prestaciones en el motor.
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Tabla 1
Características técnicas de los vehículos
Modelo
Motor
Gamma 1.6 TCi-GDi
Gamma 1.6 CVVT-Dual
Cilindros
4 en línea
4 en línea
Aspiración
Turbo alimentado
Atmosférica
Válvulas
16 DOHC
16 DOHC
Distribución
Cadena
Cadena
Potencia
Potencia 204 HP / 6000 RPM
Potencia 122 HP / 6400 RPM
Par motor
Torque 265 Nm / 4500 RPM
Torque 151 Nm / 4850 RPM
Tracción
Delantera
Delantera
Consumo
53 km/Gal Gasolina Extra / Súper
58 km/Gal Gasolina Extra /
Súper
Transmisión
Automática doble embrague (DCT), 7 velocidades
más reversa
Manual, 6 velocidades más
reversa
Tipo
Automóvil
SUV
Nota. La presente tabla proporciona información detallada de las características que posee cada
vehículo a ser tomado en cuenta para la prueba. Autor
Metodología
La investigación desarrollada es de campo cuasiexperimental. Los materiales
usados para poder llevar a cabo la fase de experimentación corresponden a un
cánister para limpieza de inyectores, mismo que permite aislar el combustible
presente en el sistema de alimentación del motor, para de esta manera poder realizar
las mediciones precisas usando los tipos de gasolina seleccionados (Super, Extra y
Ecopaís). También se empleó un analizador de gases de la marca BrianBEE, el
modelo fue el AGS – 688, equipo que se encuentra homologado para realizar los
análisis requeridos en la revisión técnica vehicular en Ecuador («Analizador de Gases
Brain Bee - Modelo AGS-688», 2023).
Para contrastar los valores de referencia permitidos con los de cada gas
obtenidos en la medición, se empleó la escala de rangos según la normativa EURO 3
y EURO 4 («Normas Euro, eficiencia motriz sustentable», 2022), tal como se observa
en la tabla 2.
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Tabla 2
Valores permitidos en gases contaminantes en la revisión técnica vehicular
REVISIÓN TÉCNICA VEHÍCULAR
VEHÍCULOS A GASOLINA
AÑO
CO EN %
O2 EN %
TIPO DE
FALLA
RESULTADO
DEL 2000
EN
ADELANTE
0 <=X < 0.6
0 <=X <3
0
APROBADO SIN
FALLAS
0.6 <= X <0.8
3 <0 X < 4
1
APROBADO CON
FALTA
0.8 <= X < 1
4 <= X < 5
2
APROBADO CON
FALTA
X >= 1
X >= 5
3
RECHAZADO
Nota. Niveles de emisiones de gases para vehículos que utilizan gasolina como combustible. INEN-
NTE 2203:2013
El procedimiento para efectuar esta prueba fue de manera estática, cumpliendo
con lo requerido en la normativa INEN NTE 2203:2013 (NTE INEN 2203, 2000), la
cual, determina la realización de dos mediciones, la primera con el motor en ralentí,
la segunda con el motor a 2500 RPM, y que en ambos casos el sistema de escape
del vehículo no debe tener ninguna modificación al diseño original del fabricante, cabe
mencionar que si existiese dos o más salidas de escape funcionales se deberá medir
en cada una de ellas la cantidad de contaminantes generados, realizando un
promedio de los valores obtenidos y así determinar el valor final, correspondiendo
este procedimiento al método experimental de la presente investigación.
Los vehículos usados para esta prueba fueron un Hyundai Venue ( también
conocido como Hyundai Creta en su nueva versión), mismo que corresponde al
sistema de alimentación multipunto, y un Hyundai Veloster correspondiente al sistema
de alimentación de inyección directa a gasolina, siendo ambos vehículos nuevos,
sometidos al análisis de gases, sin embargo, no se contó con ninguna recomendación
de rodaje dada por el fabricante en cuanto a revoluciones del motor o algún tipo de
cuidado para poder limitar la medición de gases (User manual Hyundai Veloster
(2020) (English - 480 pages), 2020).
Para poder extrapolar los resultados obtenidos en esta investigación sobre la
contaminación generada por los sistemas de alimentación directa e indirecta a
gasolina se aplica un método descriptivo, considerando que la normativa de
fabricación y calidad actual exige que se tenga formas similares en la producción de
los elementos que componen el sistema de alimentación de los vehículos, por lo que
realizando un número calculado de experimentos se puede determinar la validez de
los datos obtenidos y como estos pueden aplicarse para sistemas de alimentación de
diversas marcas de vehículos, tal como se aprecia en la ecuación 01 para el cálculo
de repeticiones por tratamiento que se realizarán en el experimento y cerciorarse de
que los valores que se obtengan no generen ningún tipo de sesgo en la información
y garantizar la trazabilidad y repetitividad del experimento (Loetz Urquielo & Flores,
1999).
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󰇛󰇜
 (1)
Donde:
n= Cantidad de experimentos a realizarse
n´= Cantidad de análisis preliminares
x= Valor de las observaciones
40= Constante, que genera una confianza del 95% y un error= 10%
Es importante entender la manera en que trabaja el sistema de inyección
directa, la complejidad que emplea el sistema difiere de la forma en que trabaja el
sistema de inyección multipunto, esto debido a los parámetros que se tienen en el
momento de la inyección de combustible, mismos que varían la relación
estequiométrica óptima que es de 14.7 partes de aire por una de combustible,
además, esta medida se ajusta dependiendo de las revoluciones a las que se
encuentre el motor y de la información de temperatura en el sistema de escape, lugar
donde se ubica el catalizador, elemento importante que mediante reacciones
químicas disminuyen la cantidad de emisiones contaminantes emitidas al medio
ambiente, razón por la cual se recomienda una temperatura de entre 2500C y 5000C
para que sirva de filtro y así evitar la salida de óxidos nítricos y monóxidos de carbono,
es decir que la tecnología que emplea el sistema de alimentación de inyección directa
es mucho más compleja que la empleada por el sistema de inyección indirecta,
pudiendo ser esta, una de las razones por las que en el experimento que se llevó a
cabo el porcentaje de contaminantes que se midieran fueran más altos en el sistema
GDI.
Resultados
El análisis de los contaminantes emitidos en las pruebas estáticas, siguiendo los
parámetros explicados en la norma INEN NTE 2203:2000, y revisando las
actualizaciones de la norma INEN NTE 2203:2013, se determinó que el sistema de
inyección multipunto generó menores emisiones contaminantes frente al sistema de
inyección directa a gasolina, tal como se aprecia en las figuras 2, 3, 4 y 5, donde se
realiza el contraste de los diferentes agentes contaminantes generados en un motor
de combustión interna de gasolina. El empleo de un cánister permitió la limpieza de
los inyectores y el poder aislar el combustible que se utilizaba y se lo presurizó según
las indicaciones de presión que debe tener el sistema de alimentación dadas por el
fabricante, sin embargo, en el caso del sistema de alimentación GDI, la conexión se
realizó previo a la bomba de alta presión.
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Análisis de hidrocarburos no combustionados
Las emisiones generadas en el sistema de alimentación con inyección
multipunto en lo referente a partículas de hidrocarburos no combustionados, son
significativamente menores a las que se presentan en el sistema de inyección directa,
con el uso de cualquier tipo de gasolina, tal como se muestra en la figura 2 la cantidad
en partículas por millón de hidrocarburos no combustionados, presentando una
diferencia de 29,25 ppm en el sistema GDI, frente a los 0,75 del sistema multipunto.
Figura 2
Análisis de las emisiones de HC
Nota. Se realizaron 3 pruebas para comparar los resultados de la emisión de HC,
las cuales fueron medidas en partes por millon debido a la presencia reducida del
gas en el ambiente.
Análisis de Dióxido de carbono
La cantidad de dióxido de carbono medida con el analizador de gases usado
en el experimento tiene una tendencia más baja en el sistema de alimentación GDI
frente al sistema de alimentación multipunto, tal como se aprecia en la figura 3, siendo
éste el único contaminante del que se encontró un menor valor en su emisión en el
sistema GDI.
29,25
29,25
29,25
0,75
0,75
0,75
E X T R A E C O P A Í S S U P E R
HIDROCARBUROS NO COMBUTIONADOS PPM
HIDROCARBUROS NO COMBUTIONADOS PPM INYECCIÓN DIRECTA
HIDROCARBUROS NO COMBUTIONADOS PPM INYECCIÓN INDIRECTA
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Figura 3
Resultados de emisiones del CO2
Nota. Se realizaron 3 pruebas para comparar los resultados de la emisión de CO2,
las cuales fueron medidas en porcentajes
Análisis de monóxido de carbono
En el caso del porcentaje de monóxido de carbono CO se puede determinar que
este gas contaminante no se presenta luego de la combustión que se genera en el
sistema GDI, tal como se aprecia en la figura 4, es decir que este subproducto de la
combustión incompleta gracias a la tecnología del sistema de inyección directo
desaparece.
Figura 4
Resultado de emisiones CO
Nota. Se realizaron 3 pruebas para comparar los resultados de la emisión
de CO, pero no presentaron un valor significativo en el sistema GDI
14,28
14,28
14,34
14,2
14,2
14,3
E X T R A E C O P A Í S S U P E R
CO2 EN PORCENTAJE
CO2 EN PORCENTAJE INYECCIÓN DIRECTA
CO2 EN PORCENTAJE INYECCIÓN INDIRECTA
0,1
0,1
0,06
0
0
0
E X T R A E C O P A Í S S U P E R
CO EN PORCENTAJE
CO EN PORCENTAJE INYECCIÓN DIRECTA
CO EN PORCENTAJE INYECCIÓN INDIRECTA
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Análisis de oxígeno en la combustión
El O2 es el único valor en el que el sistema de inyección multipunto es superior
al sistema de inyección directa, tal como se aprecia en la figura 5, debiéndose a la
forma de inyección que se tiene en el sistema directo y las estratificaciones con las
que el combustible es introducido en la cámara de combustión, se aprecia que existe
mayor porcentaje de oxígeno en los resultados de la combustión al emplearse el
sistema GDI en la alimentación del motor.
Figura 5
Resultado de emisiones O2
Nota. Se realizaron 3 pruebas para comparar los resultados de la emisión de O2, donde
la presencia de este es más elevada en el sistema de inyección multipunto
Discusión y Conclusiones
Según los análisis realizados los motores de combustión interna que usan un
sistema de alimentación de tecnología directa, se puede apreciar que el rendimiento
es mejorado mediante la aplicación de relaciones de compresión más elevadas,
además de que en la forma de inyección que se realiza en el cilindro se siguen
métodos que varían la relación estequiométrica enormemente, según las condiciones
de aceleración y temperatura del motor (Collaguazo Tacuri, 2013), adicional a que al
tratarse de motores que son de una elevada relación de compresión, requieren de
una gasolina con un alto valor de octanaje que logre soportar sin producir
detonaciones la compresión del motor.
En el Ecuador, el combustible más usado en el año 2022 fue la gasolina
Ecopaís, seguida de la Extra, teniendo las dos un octanaje con un valor de 85 octanos
(«El consumo de gasolina Súper se redujo 16% en abril», 2022). Pese a que, la
recomendación de los fabricantes automotrices es usar combustibles de al menos 95
0,45
0,45
0,36
1,54
1,54
1,37
E X T R A E C O P A Í S S U P E R
O2 EN PORCENTAJE
O2 EN PORCENTAJE INYECCIÓN DIRECTA
O2 EN PORCENTAJE INYECCIÓN INDIRECTA
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octanos, tomando en cuenta el índice ron, debiendo considerarse que en condiciones
reales el índice puede bajar hasta 10 puntos, fenómeno denominado como índice
MON, que mide el rendimiento del octanaje del combustible en situaciones de
aceleración variable, para un funcionamiento correcto y prolongado de los motores
equipados con el sistema GDI, lo deseable sería el uso de combustibles con elevado
octanaje.
En las pruebas realizadas se pudo determinar que sin importar el sistema de
alimentación la gasolina super genera menores concentraciones de subproductos
contaminantes, pese a que en el Ecuador se corrige el problema del octanaje con
soportes de programación en el ECM del vehículo, reduciendo el adelanto del
encendido en caso de detonación, mermándose así las detonaciones generadas, por
lo que se puede apreciar que en el porcentaje de monóxido de carbono es el único
subproducto que tiene un valor menor de emisiones frente a los demás contaminantes
del motor, entendiéndose también que la tecnología de alimentación de inyección
directa debería adaptar en su sistema catalítico a las condiciones del combustible
ecuatoriano y en algunos casos a la altura y tipo de manejo en Ecuador (Marckwordt
Aguilar, 2017).
Con base a los análisis de gases realizados mediante prueba estática el
sistema GDI, pudo determinar que no tiene una disminución frente a los agentes
contaminantes tomados en cuenta durante el proceso, y eso puede deberse a que se
emplea una carga estratificada, queriendo decirse que la relación estequiométrica
puede ser de 1,6 a 3 (Collaguazo Tacuri, 2013), siendo una de las razones por la que
incluso a 2500 rpm no se encuentra una variación significativa en la cantidad de
emisiones contaminantes, siendo la única excepción la del porcentaje de CO, por lo
que se determinó que el sistema catalizador no está adaptado a las condiciones de
altura y tipo de combustible, propias del Ecuador, frente a la calidad del combustible
que se emplea para poder movilizar el vehículo.
Al analizar las gráficas se pudo determinar que a mayor sea el octanaje del
combustible menores emisiones pueden generarse (Darquea, 2018), además se
determinó que al tener relaciones de compresión elevadas y no usarse un combustible
con elevado número de octanos se afecta el índice de elementos contaminantes en
el motor y se puede tener una menor vida útil del mismo, provocando desgastes
prematuros en elementos que tienen una tolerancia muy pequeña y que trabajan con
presiones elevadas, como es el sistema encargado de la inyección directa del
combustible dentro del cilindro del motor (Casanova Kindelán et al., 2018).
Asimismo, se pudo apreciar de que en cuanto a emisiones contaminantes la
gasolina Ecopaís empleada en el experimento, tiene un 5% de etanol y produce
menores emisiones, siendo esta una posible solución en la mejora del índice de
octanaje que emplean las gasolinas en el Ecuador (Quezada Vélez, 2022), lo que
podría ser una estrategia para poder generar recursos al agro ecuatoriano, pues este
combustible puede generarse a partir de biomasa, entendiendo que mucho
fabricantes automotrices han diseñado actualmente los motores para que usen
combustibles con hasta un 10% de contenido de etanol, sin necesidad de ningún tipo
de afectación en sus sistemas y sin repercusiones negativas en los diferentes análisis
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de gases que pueden efectuarse para poder cumplir con la legislación ecuatoriana,
previo a la matriculación de un automotor.
El sistema de alimentación de inyección indirecta necesitaría de ajustes para
poder cumplir su cometido de menores emisiones contaminantes, tomando en cuenta
la realidad ecuatoriana en la calidad de combustibles empleados, a lo que esta
investigación podría complementarse con un análisis de consumo de combustible y
un determinado ciclo de manejo en un dinamómetro automotriz.
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