La banda del tubo 

Sistemas de escape

01.07.2010 | 16:38

Devolución darwiniana de los sistemas de escape: de los "turbos" de hierro a los sistemas de control.

Las cosas siempre toman un cariz imprevisible. En el inicio, los motores de explosión eran sustancialmente "hornillos de repetición" y los conductos de escape tenían la misma función que las chimeneas: alejar las llamaradas y los humos del usuario.

Aquellos tubos de hierro se han convertido en complejos sistemas, de estudiada relación entre las secciones, longitud y curvatura cuidadosamente calibrados y asistidos por válvulas de control electrónico y otros sofisticados dispositivos para la reducción de las emisiones contaminantes. Ahora ya se puede hablar del "sistema de escape" como un conjunto integrado e "inteligente", determinante en el desarrollo del motor y del vehículo.


ISTEMAS DE escape
Descartemos directamente la vieja idea de que el conjunto de escape se reduce al silenciador, porque este sólo es uno de los elementos que componen un sistema de escape.
 
El trabajo de un conjunto de escape es expulsar los gases resultantes de la combustión de la forma más rápida y "silenciosa" posible, buscando al mismo tiempo hacerlos más "limpios", algo de lo que el primer responsable es el motor. Durante el desarrollo de un sistema de escape de una moto se cuidan dos aspectos fundamentales: el primero está vinculado a la distribución de las masas y al impacto aerodinámico y estético apreciable en mayor medida en la parte final del sistema.
 
El segundo se refiere a las prestaciones puras del motor, en términos de entrega de par motor y potencia, y de las emisiones contaminantes.
 
El primer aspecto ha hecho que las marcas se inventasen las configuraciones más diversas, tanto que algunas se han convertido en signo distintivo de sí mismas: del escape alto y largo de la primera Hornet a aquellos bajo el asiento de las deportivas Ducati y MV Agusta hasta los "trombones" empleados por Suzuki y Yamaha en sus últimas réplicas de competición. En algunos casos el escape define la moto entera.
 
A primer golpe de vista puede parecer que todo sea a causa de lógicas estéticas y de marketing, pero en las motos siempre existe una razón técnica. Englobar los escapes en el colín mejora la aerodinámica de una deportiva evitando la formación de turbulencias y los "trombones" situados bajo la moto permiten centralizar las masas y bajar el centro de gravedad de la moto con efectos favorables en la dinámica del vehículo.
 
A continuación, el segundo aspecto está tan estrechamente ligado al motor y a su termodinámica que es necesario afrontarlo haciendo las distinciones necesarias para el mundo de los motores de dos tiempos y de los cuatro tiempos.
 
 
Silencio, se rueda
 
Empecemos por el componente más "famoso": el silenciador. Objeto de infinitas discusiones entre los apasionados en los bares, tiene el objetivo de hacer "callar la moto", una tarea que la mayor parte de los motociclistas sigue considerando un pecado.
 
El sonido del motor es uno de los principales signos distintivos de una marca  como demuestra la reciente tentativa (fracasada) de Harley de patentar su potato-potato-potato. Pero la percepción sensorial es siempre subjetiva. Lo que para algunos es un sonido para otros es un ruido.
 
Sin embargo, la diferencia entre sonido y ruido es en cierta medida cuantificable en el contenido de energía en las distintas frecuencias: según las proporciones entre ellas, la sensación sonora es más propia de un tipo que de otro.
 
La física nos pone de acuerdo: se habla siempre de una onda mecánica que se propaga a través de un medio conductor que, en este caso específico, es el aire. Reducir el ruido significa limitar la propagación de esta onda haciéndole perder energía; de hecho, las distintas técnicas utilizadas en los silenciadores de las motos se basan todas en precisas leyes de la teoría de las ondas. Podemos dividir los silenciadores en tres clases: de absorción, de reflexión y de resonancia.
 
Cada tipo de silenciador tiene ventajas y puntos críticos y el mejor camino contempla usualmente la combinación más técnica: en las motos el sistema más difundido hace confluir la absorción y la reflexión.
 
Como ya hemos dicho, hacer "callar" la moto es sólo una de las funciones encargadas al sistema de escape que también tiene "efectos colaterales" nada desdeñables en términos de emociones y de prestaciones. Es por ello que los silenciadores son a veces sustituidos por componentes de la industria auxiliar que prometen (a pesar de que no siempre lo consiguen en términos de prestaciones) enormes ventajas respecto a los originales. Y con ellos, también aparecen multas de mayor cuantía cuando no están homologados
 

De resonancia
 
La resonancia es un fenómeno típico de las ondas sonoras: en condiciones oportunas, un cuerpo que vibra puede "arrastrar a un segundo" que a su vez producirá ondas que se combinan de forma constructiva con las del primero (muy utilizado en los instrumentos musicales) o destructivo (como para la reflexión es el caso de los silenciadores). Este efecto se obtiene a través de secciones tubulares agujereadas o cerradas que crean cámaras comunicadas entre sí.

 
De reflexión
 
El fenómeno físico utilizado es el de la reflexión (conjuntamente con el de la interferencia). En el interior del silenciador se introducen láminas agujereadas y, en contacto con los agujeros, se generan por reflexión nuevas ondas. Si éstas tienen un sentido opuesto a las generadas directamente por el motor (contrafase) se puede más o menos anular el efecto global. En esta técnica se basan los ya famosos Db Killer que rinden el máximo, sobre todo a bajo régimen de funcionamiento del motor.
 

De absorción 
 
Se realizan a través de materiales fonoabsorbentes, que absorben la energía de las ondas sonoras impidiéndoles la ulterior propagación. Esta técnica no garantiza grandes reducciones del ruido, pero tiene la gran ventaja de trabajar en casi todo el espectro de frecuencias y de no causar una relevante pérdida de las prestaciones. El material más utilizado es la lana de vidrio y este es el camino más seguido en las motos destinadas a la competición.
 
El escape de la Aprilia RSV4 es relativamente compacto en su desarrollo longitudinal. Para entrar en los límites, los gases de escape efectúan un tortuoso recorrido interno, mientras que las ondas sonoras se encuentran con una retícula de interferencia y quedan "atrapadas" por una camisa de lana de vidrio. La válvula de interceptación está mandada por la centralita electrónica.
 

Todo empezó con el 2t
 
En los motores de 2T, el ciclo térmico se divide en dos fases. El pistón, en su carrera por el interior del cilindro, abre y cierra los conductos, llamados lumbreras, de entrada para la mezcla a explosionar y de salida para los gases de escape. Todos los movimientos de flujo, tanto de la de mezcla detonante como del gas de escape, no están controlados por válvulas, pero se efectúan gracias a la diferencia de presión.
 
Los gases de escape son expulsados simplemente cuando el pistón abre la lumbrera de escape durante su bajada; esta fase coincide con la de trasvase en la que la mezcla aire/combustible precomprimida pasa a la cámara de combustión. El escape está consecuentemente dimensionado de forma que genere a la altura de la lumbrera de escape una depresión suficiente para aspirar hacia el exterior los gases quemados sin que también se lleve consigo la mezcla fresca de la siguiente combustión. Para lograr lo, los escapes de 2T se construyen combinando secciones de paso divergente y convergente (las clásicas expansiones): las primeras generan las ondas de depresión, las segundas las ondas de compresión con fases preestablecidas para crear "barrera" hacia la mezcla fresca que pudiese salir al exterior junto a los gases de escape. La parte divergente, situada inmediatamente después de la unión con el cilindro, determina la depresión que aspira los gases de escape hacia el exterior. En cambio, a la altura de la sección convergente, llamada contracono, se genera la onda de reflexión. El tiempo empleado por las ondas en atravesar la longitud del escape depende de su velocidad y también del régimen de giro. Estos efectos son máximos a un cierto régimen (que se puede calcular) y mínimos a otro régimen. Por lo tanto, el cálculo de las dimensiones es muy preciso, tanto como para no haber sido nunca industrializado: los mejores escapes se producen todavía con técnicas artesanales basadas en años de experiencias y evolucionadas en el banco de pruebas y en la pista. Este escenario se ha complicado ulteriormente a causa de las necesidades de utilizar catalizadores que modifican la generación y la propagación de las ondas de presión y contrapresión.
 
La escasa libertad, en términos termodinámicos, ofrecida por un motor 2T ha llevado a los técnicos a desarrollar nuevas soluciones para mejorar el sistema en términos de rendimiento y emisiones. En particular, la distribución variable, que sólo ahora empieza a difundirse en los motores de 4T cuando ya lo era hace veinte años en los 2T más apretados para superar el grueso límite constituido por la dimensión fija de la lumbrera de escape que condiciona la dinámica del gas en salida. La adopción de una distribución asistida en un 2T deportivo está mucho más penalizada que en un 4T por la calidad de la entrega de potencia. En consecuencia, para aumentar el campo de utilización óptima se introdujeron las "válvulas de potencia" (Power Valve) que permiten variar el tiempo de apertura y la sección de la lumbrera de escape. Las válvulas de potencia pueden ser de control mecánico (por diferencia de presión) o electrónico; las últimas versiones electromecánicas permiten una gestión muy esmerada y precisa vinculada no solamente al número de vueltas del motor, sino también a otros parámetros medidos por oportunos sensores e integrados en la gestión electrónica del motor.
 
 
La revancha del 4T
 
El ciclo de un motor de 4T está dividido en cuatro fases bien separadas físicamente una de la otra. Durante la de escape, el volumen del cilindro es "liberado" de los gases quemados gracias a la apertura de sus correspondientes válvulas. En esta etapa, los gases quemados se ven ayudados en su escapatoria por la carrera de subida del pistón hacia el punto muerto superior. Pero la situación no es tan simple como pueda parecer. Cuando las válvulas de escape se abren, además de la columna de gas en movimiento, también se genera una onda de presión que atraviesa todo el sistema a una velocidad próxima a la del sonido hasta alcanzar la salida externa. Aquí, como prescribe la dinámica de fluidos, la onda rebota y vuelve hacia atrás atravesando de nuevo el sistema en sentido inverso (onda de depresión). Alcanzadas de nuevo las válvulas de escape, la onda experimenta otra reflexión y así sucesivamente hasta perder toda su energía. El efecto sobre los gases de escape no es nada desdeñable: a medida que sean atravesados por una onda de ida o de vuelta, serán respectivamente espaciados o comprimidos y variarán su dinámica. Un verdadero y exacto efecto de acordeón les afecta durante todo su viaje-
 
Las ondas de presión están por su naturaleza ligadas a las dimensiones longitudinales y transversales del escape. De hecho, habrá ondas "lentas" en escapes largos y estrechos y "veloces" en escapes cortos y anchos. Todo esto es cierto en la hipótesis de trayectos rectilíneos, pero los escapes motociclistas tienen curvas y restricciones que entrañan fenómenos de reflexión. Además, los motores de 4T tienen habitualmente escapes en los que confluyen más cilindros, cuyas válvulas se abren cíclicamente a frecuencias siempre mayores a medida que aumenta el número de revoluciones. Imaginando poder disparar una fotografía en un instante preciso, veríamos en la imagen la combinación de un centenar de ondas que atraviesan el escape comprimiendo y dilatando la columna de gas que se dirige hacia la salida. ¡Un verdadero caos!
 
El desarrollo de un sistema de escape para motores fraccionados debe optimizar todas estas fases.Lo ideal es combinar las ondas reflejadas de forma capaz de disponer de una depresión cuando las válvulas de escape están abierta para favorecer la fase de expulsión de los gases.
 
El juego no es en absoluto fácil y las dificultades no se acaban aquí: es necesario añadir el silenciador y el catalizador necesarios para entrar en los límites de contaminación ambiental y acústica obteniendo un sistema de las dinámicas verdaderamente singular. En realidad, tanto los catalizadores como los silenciadores son portadores de presiones, por lo tanto, de fenómenos de reflexión. Análogamente a cuanto se ha visto en los 2T, también para los 4T las marcas se las han ingeniado para adaptar dispositivos que ayuden a poner orden en el tubo que guía los gases de escape hacia el exterior. Naturalmente, los resultados más significativos se han conseguido con la llegada de los controles electrónicos que permiten relacionar la configuración del escape con el régimen de giro del motor, además de otros parámetros.
 
La primera en proponer alguna cosa en tal sentido fue Yamaha con la FZR 400 R en 1987. Su válvula en el escape llamada EXUP (Exhaust Ultimate Power Valve) trabaja variando la sección del escape en relación al número de revoluciones, minimizando el fenómeno de reflujo de los gases de escape y optimizando el proceso de rellenado del cilindro durante la fase de cruce entre las válvulas de admisión y de escape. El EXUP utiliza como información datos como las rpm, la velocidad, la marcha engranada, el ángulo de rotación del gas y la apertura de los cuerpos de mariposa. Estos parámetros son procesados por una centralita electrónica que ofrece el mejor grado de apertura de la válvula.
 
Los técnicos de Yamaha declararon en seguida un aumento de las prestaciones en términos de linealidad de la entrega y de par motor a medios, pero también de consumo de carburante y reducción de las partículas contaminantes. La marca ha apostado mucho por este concepto, equipando con la EXUP modelos punteros como las deportivas de la serie R o la Fazer 1000. En realidad, la solución ha demostrado corresponder a otra inquietud, ya que la verdadera función era reducir los ruidos en los regímenes ligados a la homologación del vehículo. Eso lo confirma que desde 2009, la R1 fue desprovista de esta sagacidad.
 
El último paso en términos de gestión de los gases de escape lo ha dado la hipertecnológica BMW S1000 RR. El equipo de escape tiene el esquema 4-2-1 y el sistema está además dotado de dos válvulas de mariposa para la gestión de las ondas de interferencia. Así reduce la contrapresión en el escape y mejora el rellenado de la carga durante la fase de admisión.
 
Las válvulas, emplazadas sobre un único eje, controlan conductos compensatorios entre los cilindros 1-4 y 2-3, y están controladas por servomotores eléctricos gestionados desde la centralita. Gracias a la electrónica, los técnicos aseguran un control total y preciso equiparable al de un escape destinado a la competición. Las prodigiosas prestaciones del motor S1000 RR a cualquier régimen no les han desmentido en absoluto-

La primera válvula activa en el escape para 4T apareció en la segunda serie de la Yamaha FZR 1000 en 1989. Era una válvula cilíndrica en la confluencia de los cuatro conductos de escape que se limitaba a cerrarse a regímenes "críticos" para las pruebas de fonometría. Arriba, el escape activo de la Buell era más sofisticado: notablemente compacto, el "barrilito" obliga a los gases a seguir un tortuoso recorrido, excepto a plena potencia, cuando la válvula excluye un tramo acortando la entrada de los gases, disminuyendo la contrapresión y favoreciendo las prestaciones.
 
 
Los catalizadores
 
La continua evolución de las normas anticontaminación ha hecho que en los sistemas de escape se haya alojado otro dispositivo que ya nos es familiar: el catalizador. Su cometido es el de reducir las partículas contaminantes resultantes del proceso de combustión. Los principales contaminantes son el CO (monóxido de carbono), los NOX (óxidos de nitrógeno) y los HC (hidrocarburos no quemados). La idea base del catalizador es la de transformar, mediante reacciones químicas, estas sustancias en otras no dañinas para la salud.
 
En los motores de 4T, la última evolución de los catalizadores es el llamado "tres vías". Este sistema está compuesto por dos catalizadores: uno es reductor y transforma los óxidos de nitrógeno (NOX) en nitrógeno gaseoso (N2); el otro es oxidante para la transformación de los hidrocarburos no quemados (HC) y monóxido de carbono (CO) en inócuos vapores de agua (H2O) y anhídrido carbónico (CO2). Un catalizador se realiza trabajando mediante superficies con intersticios tratados con materiales adherentes a través de los que se dirigen los gases de escape. En este recorrido, utilizando específicos metales (rodio para el primero y platino o paladio para el segundo) se ceban las reacciones para la conversión de los contaminantes.
 
Inicialmente, los catalizadores de tres vías eran del tipo "a ciclo abierto", es decir, el sistema operaba bajo hipótesis del porcentaje de la mezcla sin conocerlo con exactitud. En este caso está presente el óxido de cerio (CeO2) que almacena el oxígeno durante las fases de mezcla pobre para después liberarlo durante las de mezcla rica. Un sistema gestionado de esta forma sólo es valido tomando la media del funcionamiento del motor, pero difícilmente lo será a cualquier régimen y en todas las condiciones. Pero ese catalizador sólo funciona al máximo de la eficiencia cuando la mezcla de aire y carburante es la esperada. Por este motivo, se ha añadido un sensor que mide la relación lambda entre aire y gasolina. La sonda lambda, situada antes del catalizador, mide de forma continua la dosificación verificando la dosificación de oxígeno presente en los gases de escape y manda a la centralita electrónica la información para las correcciones adecuadas. Los catalizadores con sonda lambda son, por tanto, de los llamados "a ciclo cerrado". Los sistemas más evolucionados trabajan con dos sondas lambda, una arriba y la otra abajo del catalizador. De esta forma se puede medir lo que entra y lo que sale del catalizador, de forma que se pueda gestionar con la máxima precisión.
 
Algo parecido también se ha desarrollado para los motores de 2T, donde se utiliza un sistema de doble catalizador y aire secundario. Aquí, en realidad, el catalizador está compuesto por dos unidades distintas: la primera (reductora) a lo largo del colector de expansión y poco distante de la lumbrera de escape; la segunda (oxidante) situada al doble de distancia respecto de la otra. Entre las dos se interpone un sistema para la introducción de aire fresco rico en oxígeno que permite la reacción química en el segundo catalizador. Gracias a este sistema y a un adecuado dimensionado de la expansión, se reducen los valores de las emisiones a un nivel tan bajo como para respetar los límites de las normativas vigentes (Euro 3).
 
No obstante, resulta evidente que en el momento en el que la normativa, cada vez más restrictiva, requiera a los sistemas de alimentación una precisión extrema, el escape no podrá hacer más que intentar adecuarse en términos de complejidad y de precisión.
 
Por ello, hay que destacar la progresión de avances del carburador, como las versiones desarrolladas por algunas marcas (Ducati Energia y Dellorto), en los cuales y gracias la gestión electrónica de circuitos especiales del carburador, se consigue controlar la mezcla en funcionamiento durante la utilización del motor logrando con ello hacer entrar algunos monocilíndricos 2T en los severos límites impuestos por la normativa Euro 3, aunque sólo sean (a pesar de las ventajas en términos de simplicidad y absorción de corriente) pasos intermedios hacia un mundo en el que la imparable marcha de lo digital llegará a imponer también en las motos el matrimonio de la década: el de la inyección electrónica con los escapes de control electrónico.
 
 
Dentro del catalizador
 
El desarrollo de las emisiones contaminantes se juega en dos "campos" distintos: la cámara de combustión, donde se decide la composición original de los gases de escape basándose en la eficacia del proceso, y el equipo de escape, donde esta composición se puede modificar. El convertidor catalítico juega en este segundo terreno para reducir la concentración de los contaminantes reglamentados. Se compone de un sustrato inerte -normalmente metálico- y del propio catalizador. Este último facilita una determinada reacción química: se utilizan platino y paladio para completar las reacciones de oxidación (que aumentan el contenido de oxígeno de las moléculas) y para eliminar los hidrocarburos no quemados HC y CO; rodio para completar la reacción de reducción (que disminuye el contenido de oxígeno) de los óxidos de nitrógeno (NOX). Platino, paladio y rodio son llamados metales nobles o PGM (Platinum Group Metals). En cambio, el sustrato está compuesto de láminas metálicas muy finas -por debajo de una décima de milímetro- alternativamente lisos y arrugados, que forman la matriz: un conjunto de canales por los que fluyen los gases. El número de canales o densidad de las celdas se identifica con la grafía "cpsi" (cell per squared inch). La finalidad de esta particular construcción es la de facilitar el contacto entre los gases y la pared del sustrato donde se ha posicionado el catalizador.
 
El convertidor catalítico es un pequeño reactor químico sensible a las condiciones en las que producen las reacciones (temperatura, concentración de los reactivos, etc.). Para ser eficiente, es necesario jugar también el partido en el motor, calibrándolo para obtener una mezcla con relación estequiométrica y obrando de forma que el convertidor alcance la temperatura mínima de funcionamiento en torno a los 300-350ºC (llamada light off) lo más rápidamente posible. También hay otras características del convertidor que influyen sobre la eficacia. En primer lugar la cantidad de PGM influye tanto en el light off como en el funcionamiento a temperatura. La cantidad de PGM y la tecnología del revestimiento son cada vez más determinantes de las características de la aplicación y de las consideraciones económicas (los PGM tienen cotización diaria). La cantidad de metales nobles determina el "envejecimiento" del convertidor, perdiendo gradualmente la eficacia a causa de la sinterización de los metales nobles (la agregación de las partículas más pequeñas a las partículas más grandes durante la exposición a temperaturas elevadas) y de su "envenenamiento" (la desactivación química causada por vínculos irreversibles con, por ejemplo, el fósforo contenido en el aceite).
 
La segunda característica constructiva fundamental es el volumen del convertidor. Para el funcionamiento a alta temperatura es preferible un elevado volumen, pero eso ralentiza el light off. Además, en motos, el espacio disponible determina generalmente el volumen del convertidor: volúmenes limitados se compensan aumentando en cpsi para garantizar una elevada eficacia. El salto de Euro 2 a Euro 3 y el próximo Euro 4, contempla un crecimiento de 100 cpsi a 400 cpsi. Paralelamente, para no aumentar demasiado la masa térmica del sustrato perjudicando el rendimiento del light off y no incrementar la contrapresión, se debe disminuir el espesor de las láminas. La disminución del grosor de las láminas requiere una mayor atención a las cargas termomecánicas en el convertidor: las transiciones térmicas durante una fase de aceleración o deceleración son elevadísimas (hasta +6.000ºC por minuto y -4.000ºC por minuto) y, a causa de las dilataciones térmicas del metal, producen estrés de compresión y de tracción en cada una de las láminas. Si se piensa que todo eso ocurre a temperaturas superiores de los 900ºC y en presencia de empujes vibratorios de hasta 100 g de punta, se puede entender cómo los parámetros constructivos de un sustrato pueden llegar a determinar la duración en el tiempo.
 
Las principales tipologías de sustratos metálicos son dos y se diferencian por la técnica de la envoltura de las láminas. En el primer caso, una lámina fruncida se superpone a otra lisa envolviéndola en espiral y creando una capa cilíndrica; algunos fabricantes efectúan una conexión mecánica entre la matriz y la capa. Esta tecnología es típicamente motociclista y está compuesta por sustratos sometidos a de cargas termomecánicas. La segunda tipología de sustratos se realiza sobreponiendo más láminas lisas y fruncidas, como en una resma de papel, que luego se arrolla en torno a dos pernos. Este segundo tipo de sustrato es adecuado para aplicaciones más exhaustivas y también se aplica en el sector automovilista. También la estructra interna de los canales ha sido objeto de desarrollo para aumentar la eficacia catalítica limitando al máximo en aumento de contrapresión y de peso del convertidor. Se trata de sustratos que presentan estructuras secundarias en el interior del canal para aumentar el grado de turbulencia del flujo aumentando paralelamente la velocidad a la que el contaminante alcanza la pared del canal donde se reconvierte. Algunos fabricantes ya utilizan este avanzado tipo de sustrato.
 
Entre las últimas tecnologías encontramos láminas lisas y arrugadas agujereadas para aumentar la turbulencia local, mientras que la solución con una lámina arrugada secundaria (abajo a la izquierda) está en fase de estudio hacia la Euro 4.
 
Lo que para algunos es un sonido, para otros es ruido. la diferencia radica??en sus frecuencias?.
La distribución variable ahora se difunde entre las 4t, cuando hace 20 años ya lo estaba en las 2t.
La válvula exup responde más a la necesidad de reducir ruidos que a la respuesta del motor o prestaciones.
La imparable marcha de lo digital asociará la inyección con los escapes de control electrónico.
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