Sistema de escape

A primera vista podía parecer que el dispositivo de evacuación de los gases de escape de los automóviles debía ser un simple tubo que desechara los gases a la atmósfera, pero en la práctica, ese concepto está bien lejos de la realidad, y, de hecho, este sistema es muy importante y tiene sus particularidades que veremos a continuación.
El sistema de escape se puede dividir en dos partes:

Las que corresponden al motor.
Las que corresponden al tubo de escape que conduce los gases al ambiente.

En la figura 1 se muestra un diagrama de bloques de un sistema de escape. En él se podrá observar que las partes que lo constituyen son las siguientes:

Las válvulas de escape.
El múltiple de escape.
Los sensores de oxígeno.
El convertidor catalítico.
El silenciador.
El resonador.
El tubo de cola o salida.
Los tramos de conducto que unen las partes.

Se observará que los gases muy calientes, (hasta 700ºC), que abandonan el motor se hacen converger en el múltiple de escape, y se conducen a través de tuberías a los distintos dispositivos que componen el sistema, hasta terminar en la atmósfera a través del tubo de cola. Note que la temperatura de los gases va decreciendo a medida que se mueve por el sistema, pero siempre se tratará de que salgan a la atmósfera aun a mas de 100ºC.

Figura 1. Diagrama de bloques
de un sistema de escape

Veamos ahora algunas particularidades de las partes componentes.

Válvulas de escape

Son una parte constituyente del motor, pero como al mismo tiempo son parte del sistema de escape las trataremos aquí.
Estas válvulas tienen un trabajo muy severo, se mueven a alta velocidad cuando el motor gira rápido, tiene la responsabilidad de cerrar herméticamente la salida de la cámara de combustión y están en el medio del paso de gases a mas de 700ºC cuando el motor trabaja con carga y velocidad elevadas. Estas condiciones hacen que las válvulas de escape sean una pieza del motor de altas exigencias constructivas y de material.

Desde el punto de vistas de funcionamiento, las válvulas se abren y cierran por el empuje de una leva (figura 2), de este modo, la apertura y cierre no son instantáneas y demoran algún tiempo; tiempo en el que se mantiene el movimiento del pistón. Si se espera hasta que el pistón esté abajo, al final de la carrera de fuerza, en su movimiento, el pistón se habrá elevado una distancia notable mientras se abre completamente la válvula de escape, durante esta elevación tendrá que oponerse a la presión residual que queda en el cilindro, una suerte de compresión de los gases quemados, y esto, evidentemente, va en contra de la eficiencia del motor. Teniendo en cuenta ese asunto, la válvula de escape comienza a abrirse antes de que el pistón alcance el punto muerto inferior, y los gases de escape, aun a presión dentro de cilindro, comienzan a fluir a través de la abertura formada entre la cabeza de la válvula y su asiento, abertura que crece con el tiempo. Literalmente fluye "fuego" que envuelve la cabeza de la válvula. Mas tarde cuando el pistón comience a subir podrá "barrer" los gases quemados con mucha menor oposición dado que la válvula ya estará abierta.
Constructivamente las válvulas están hechas de aceros muy especiales, que son capaces de resistir por largo tiempo la acción erocionante y corrosiva de los gases de salida y también las altas temperaturas de trabajo, pero aun así, la temperatura de la cabeza de las válvulas puede llegar a valores muy altos y no soportables por los materiales de que están hechas, si no se les dota de una vía de enfriamiento.
En la figura 2 se muestra un esquema de como está montada la válvula de escape, podrá ver que la cabeza está en la misma linea de fuego, especialmente cuando se abre y los gases incandescentes la rodean. La única zona de contacto de la cabeza de la válvula con un material "frío" es con el delgado borde del asiento donde cierra, y este, a todas luces, no es suficiente vía para eliminar el calor que va recibiendo la válvula, por lo que se va produciendo un notable aumento de su temperatura. En la figura puede apreciarse la vía efectiva por donde puede fluir el calor para enfriar la cabeza, es decir a través del vástago, y de este, a las paredes frías del bloque de cilindros rodeado del líquido refrigerante. Pero hay un factor agravante, y es el material de la válvula, ella, para soportar el ambiente extremadamente corrosivo, de gases altamente oxidantes a muy elevada temperatura se construyen de aceros de fuerte aleación, que son malos conductores del calor, lo que impide en cierta manera el tráfico del calor.
Para palear esta situación, en muchos motores los vástagos de las válvulas son huecos, como puede verse en la figura 3. El interior se rellena con alguna sal o con sodio, estos materiales se funden cuando la temperatura de la cabeza de la válvula crece, y ya en estado líquido, establecen una corriente convectiva que transporta el calor mucho mas rápido que el material del vástago de la válvula hasta la zona donde se puede disipar, es decir a la zona del vástago rodeado de la masa metálica del bloque, el que a su vez lo está del líquido refrigerante.

El múltiple de escape.

Esta pieza es algo mas que un conjunto de conductos que hacen converger los gases quemados a un tubo único dotado de un platillo de acople donde se une el tubo de escape. Lo primero que debe cumplir el múltiple de escape es tener suficiente resistencia a la corrosión para ser duradero a las altas temperaturas de funcionamiento, lo que generalmente se logra con un proceso de aluminación, silicación, cromización o la combinación de estos procesos sobre un tubo de acero, o bien utilizando hierro fundido aleado, además debe impedir un elevado enfriamiento de los gases calientes, por eso, es común que sean de paredes metálicas gruesas. Mas adelante cuando tratemos las partes del tubo de escape veremos porqué es importante conservar la temperatura de la mezcla quemada.
La forma y longitud de los tubos del múltiple de escape pueden jugar un papel notable a la hora de favorecer la limpieza del cilindro, y su diseño en particular está relacionado con las características del motor.
Cuando se abre la válvula de escape, los gases en el interior del cilindro aun están a elevada presión, por lo que se expanden en forma de una onda mecánica de choque dentro del espacio mas amplio del tubo al que desembocan, esta onda mecánica debe viajar por los tubos que componen el múltiple de escape con libertad, si durante su trayectoria, la onda de expansión tropieza contra una superficie, por ejemplo con un codo muy pronunciado, puede rebotar en él (reflexión) y tomar un movimiento en reversa que se opone al libre paso del resto de los gases, por lo que el cilindro no se limpiará adecuadamente. Incluso, si se da el caso, la onda de retorno puede llegar a la válvula de escape abierta cuando el pistón está casi en el punto muerto superior y ya no realiza empuje de los gases, con la consecuencia de que entran gases quemados por esa válvula a alimentar la cámara de combustión. No hay que explicar que esto es muy nocivo para la eficiencia del motor.

Figura 2. Esquema del montaje
de la válvula de escape

imagen

Figura 3. En algunos motores las válvulas
son huecas y están rellenas con sodio o
alguna sal.

Observe el múltiple de escape hecho por soldadura de un motor de cuatro cilindros mostrado en la figura 4, en él se deben destacar las características siguientes:

Todas las bocas de unión a los cilindros están montadas en una pieza común, lo que le permite a través de pernos acoplarse de manera segura y apretada al motor.
Todos los codos de los tubos son de curvatura alargada para facilitar el flujo de las ondas de presión sin rebote.
Los tubos convergen dos a dos en una "Y" hasta terminar en el tubo final de salida.
Los diámetros de los tubos crecen a medida que se acoplan mas de ellos, la segunda sección después de la primera "Y" es de diámetro mas grande que los tubos que entran a la "Y", lo mismo sucede en la segunda convergencia. Esto se debe a que mas de un cilindro puede estar aportando volumen de flujo al conducto y por tanto se necesita mas diámetro para reducir las pérdidas por rozamiento.
Finalmente termina en un platillo con orificios para pernos a fin de acoplarse al tubo de escape.

La convergencia en "Y" se usa porque tiene ventajas con respecto a otras formas, veamos cuales son estas ventajas.

Se produce un cambio de dirección suave y poco pronunciado en la trayectoria de los gases, lo que introduce pocas pérdidas por rozamiento y evita además la posibilidad de rebote de las ondas de presión.
La alta velocidad de los gases que circulan por la "Y" desde uno de los tubos, pueden hacer trabajo de succión a modo de tubo Vénturi en el otro conducto del par, lo que es un factor de limpieza adicional del cilindro del segundo tubo, si en ese momento se está produciendo el final de la carrera de escape del pistón correspondiente. Note en la figura 4 que los tubos que se llevan a una "Y" no corresponden siempre a cilindros vecinos, se hacen converger aquellos en los que el efecto de succión se puede aprovechar, es decir, aquellos cuyos pistones tengan las posiciones relativas adecuadas para que se cumpla lo descrito arriba.

Figura 4. Múltiple de escape de
un motor moderno.

El sensor de oxígeno.

Ya este asunto se ha tratado en el artículo correspondiente, estos dispositivos solo se usan en los automóviles dotados de inyección de gasolina y el algunos Diesel, y no siempre estará presente el sensor secundario.

El convertidor catalítico.

El convertidor catalítico es una de las numerosas piezas caras que tienen los automóviles y que no son necesarias para su funcionamiento. La utilización de este dispositivo se debe a la necesidad de eliminar hasta un alto porcentaje los gases tóxicos que acompañan al escape del motor. Solo está reglamentado su uso obligatorio en algunos países, donde el tránsito vial es intenso y por consiguiente la contaminación ambiental elevada. La dinámica de su funcionamiento es compleja y dependiente de diversos factores que deben ser controlados con exactitud para lograr el objetivo perseguido, la moderna forma de alimentar los motores por inyección de gasolina asistida por ordenador, y el uso de sensores de precisión han hecho posible que el trabajo eficiente del convertidos catalítico sea una realidad.

A este dispositivo entran los gases aun calientes procedentes del motor y en su interior se producen las reacciones químicas que convierten los gases tóxicos, en gases no tóxicos a la salida. Las reacciones se producen de forma catalítica por lo que de ello deriva su nombre.
En los convertidores modernos (de triple acción) las transformaciones se producen cambiando el monóxido de carbono (CO), los óxidos de nitrógeno (NO_x) y los hidrocarburos sin quemar (C_nH_m) que vienen del motor, a dióxido de carbono (CO₂), nitrógeno molecular (N₂) y agua (H₂O). Anteriormente los convertidores solo transformaban los hidrocarburos sin quemar y el monóxido de carbono y se les llama de doble acción, pero en la actualidad se les considera obsoletos o tienen un campo de utilización limitada.
Como catalizadores se emplean metales preciosos que son escasos y caros, entre ellos los mas utilizados son el platino, el paladio y el rodio, especialmente el primero.
Para que el trabajo de convertidor pueda llevarse a cabo debe haber cierta cantidad de oxígeno sobrante en los gases de escape y una elevada temperatura (se dice que mas de 400ºC), por tal motivo en los 5-10 minutos iniciales del arranque del motor frío la eficacia del convertidor es prácticamente nula.
El uso de estos aparatos establece altas exigencias en cuanto a ciertos elementos que son frecuentes en las gasolinas, de hecho el plomo, que fue utilizado por mucho tiempo como mejorador del octanaje de la gasolina en forma de tetra etilo de plomo no puede utilizarse, ya que resulta muy tóxico para los materiales catalíticos. Otro componente indeseable en la gasolina es el azufre, debido a que en el convertidor produce sulfuro de hidrógeno que tiene un olor desagradable. Existen otras reacciones adversas en el catalizador pero el diseño cada vez mejor de estos va resolviendo esos problemas.

Figura 5. Corte a un convertidor
catalítico

En la figura 5 se muestra un esquema de un convertidor catalítico cortado para ver el interior, la parte fundamental del dispositivo es un cuerpo de estructura en forma de panal de abejas que ocupa todo el núcleo, y por donde pasan los gases de escape a través de las celdas. Este cuerpo, que puede ser de alguna aleación metálica de alta resistencia a la corrosión y a la temperatura, o de cerámica, tiene recubierto el interior de las celdas con una capa que contiene los materiales catalizadores (sustrato activo).
La gran compartimentación de núcleo hace que la superficie de contacto entre los gases de escape y los materiales catalizadores sea muy elevada y así favorecer las reacciones, pero al mismo tiempo, supone un elemento que adiciona resistencia al flujo de los gases. Por eso hay cierta situación de compromiso en el diseño del núcleo, lo que da lugar a un constante trabajo de mejoras.
El núcleo es un material frágil, por lo que se recubre con un paño de material refractario expandido para evitar su rotura durante las dilataciones y contracciones de todo el conjunto al calentarse y enfriarse. Por fuera del paño hay una cubierta metálica de protección, luego esta cubierta, a su vez, está rodeada de un material aislante para evitar el enfriamiento del convertidor, y, finalmente, viene la cubierta externa que es la que vemos. Resulta evidente que todos los materiales involucrados en la construcción del convertidor catalítico deben ser de alta resistencia al calor y a la corrosión.
Finalmente creemos conveniente aclarar que las reacciones químicas principales que se desarrollan en el convertidor son de tipo exotérmicas, es decir generan calor, por eso es normal que los gases de salida tengan una temperatura superior que los de entrada, si la cantidad de oxígeno sobrante e hidrocarburos sin quemar que llegan al convertidor es muy grande, se puede dar el caso de que se fundan parcialmente algunas partes del núcleo arruinando por completo el dispositivo.

El silenciador

Este elemento tiene el objetivo de amortiguar el ruido que se produciría si la onda mecánica de choque generada cuando se abre la válvula de escape llegase directamente al exterior. El silenciador tampoco es imprescindible, pero pueden imaginarse una vía de tráfico intenso si todos los automóviles produjeran ruido intenso, por eso, en la mayoría de los países es de uso obligatorio este dispositivo.
Hay infinidad de diseños de silenciadores con mejor o peor eficiencia acústica, pero todos sin excepción, lo que buscan es convertir el flujo pulsante de ondas de choque de los gases de escape a un flujo continuo y silencioso. Para ello se utiliza la cualidad de las ondas de reflejarse e interferirse, veamos como funciona.
La clave para su funcionamiento radica en conducir las gases de escape que salen del motor, como ondas de choque desde cada uno de los cilindros, a una cámara donde estas ondas choquen y se reflejen desde las paredes y actúen de manera destructiva sobre las ondas entrantes.

En la figura 6 se ha representado un esquema simplificado de como se atenúan las ondas dentro del silenciador. Para comenzar, diremos que el silenciador es una cámara cerrada, con una entrada por donde se introducen los gases del motor y una salida al resto del tubo de escape. Adentro tiene un tabique separador para formar dos cámaras (en la práctica son hasta 4), a una de las cámaras se introduce la mezcla entrante (rojo), formada por una serie de pulsos de presión u ondas de choque, estas ondas se mueven por la cámara hasta alcanzar la pared de donde se reflejan (azul). Si la distancia desde la boca del tubo de entrada hasta la pared del fondo se calcula bien, teniendo en cuenta la velocidad de propagación de las ondas en ese medio, se puede lograr que las ondas de rebote interactúen con las de entrada interfiriéndolas de modo destructivo, con la consiguiente disminución de la amplitud. De esa cámara pasan a la otra, donde el efecto se repite, y al final del silenciador salen los gases con las ondas (equivalentes al ruido) muy atenuadas. El gráfico de abajo muestra como podía ser el proceso a lo largo del silenciador. Entran con una gran amplitud y salen con ella muy reducida.
El proceso en la figura 6 está bastante simplificado y sirve para entender el funcionamiento, pero en la práctica, las ondas chocan en todas las paredes del dispositivo, y la interacción es entre un patrón de ondas mas complejo que el representado.
En los silenciadores reales, se usan otros modos de favorecer el objetivo, como por ejemplo, llenar de perforaciones los tubos interiores para convertir la onda de choque en múltiples ondas (una por cada agujero), que al moverse y rebotar dentro de la cámara producen un intenso patrón de interferencia.

Figura 6. Esquema de funcionamiento
del silenciador

Otra cosa que se hace es llenar el espacio interior del silenciador con una material fibroso que absorbe y atenúa las ondas sonoras.

El resonador

El resonador no es mas que otro dispositivo con un funcionamiento análogo al silenciador, y que refuerza el trabajo de eliminación de ruidos para obtener un escape mas silencioso. No todos los vehículos tienen el resonador, mas bien está reservado para los automóviles mas caros y silenciosos.
Hay una variante del resonador que hace todo lo contrario, lo que busca es cambiar el patrón de ruido y hacerlo de mayor volumen y con una frecuencia modificada que da la impresión sicológica de un motor mas potente. Estos resonadores no vienen nunca de fábrica en los automóviles, se compran y montan por los amantes a esos ruidos, generalmente jóvenes. Lo mas común es que se coloquen en el lugar del tubo de cola.

El tubo de cola.

Durante su trayectoria a lo largo de todo el laberinto anterior en el tubo de escape, los gases se han enfriado, este enfriamiento, en ciertos casos de funcionamiento a poca potencia, permite que los gases puedan llegar a una temperatura menor de 100ºC dentro del tubo de escape, lo que implica que el abundante vapor de agua que contienen pueda condensarse como agua líquida, mas probablemente en el tubo de cola que está al final. El agua en este estado puede formar soluciones con las otras sustancias que contienen los gases de escape, para producir agentes muy corrosivos, preferentemente ácidos: nítrico, con los óxidos de nitrógeno, y sulfúrico, con el dióxido de azufre de las gasolinas que contiene este elemento.
Además de este factor funcional, el tubo de cola es el elemento visibles del tubo de escape, por estas dos razones esta parte final se construye de materiales vistosos y resistentes a la corrosión.

Los tramos de tubo

No son tramos de un tubo cualquiera, son en general de paredes muy finas para que sean de poco peso, y relativamente flexibles y así evitar cargas adicionales a las partes integrantes durante las dilataciones y contracciones, por el notable cambio de temperatura entre reposo y funcionamiento. Además recuerde que están en el "frente de guerra" sometido por el exterior a la intemperie y por el interior a gases oxidantes muy caliente, por eso reciben un tratamiento protector superficial, generalmente aluminado, que le permite resistir esas condiciones por largo tiempo.