En la ingeniería automotriz , un colector de escape recoge los gases de escape de varios cilindros en un solo tubo. La palabra colector viene de la palabra Inglés Antiguo manigfeald (del anglosajón Manig [muchos] y feald [veces]) y se refiere al plegado juntos de múltiples entradas y salidas (En contraste, una entrada o colector de admisión suministros de aire a la cilindros).
Los colectores de escape son generalmente unidades simples de hierro fundido o acero inoxidable que recolectan los gases de escape del motor de varios cilindros y los entregan al tubo de escape. Para muchos motores, existen colectores de escape tubulares del mercado de accesorios conocidos como cabezales en inglés americano , colectores de extracción en inglés británico y australiano , [1] y simplemente como "colectores tubulares" en inglés británico . [ cita requerida ] Estos consisten en tubos de escape individuales para cada cilindro, que luego generalmente convergen en un tubo llamado colector . Los encabezados que no tienen colectores se denominan encabezados zoomie .
Los tipos más comunes de colectores de posventa están hechos de tubos de acero dulce o acero inoxidable para los tubos primarios junto con bridas planas y posiblemente un colector de mayor diámetro hecho de un material similar al de los primarios. Pueden estar recubiertos con un acabado de tipo cerámico (a veces tanto por dentro como por fuera), o pintados con un acabado resistente al calor o desnudos. Hay cabezales cromados disponibles, pero tienden a ponerse azules después de su uso. El acero inoxidable pulido también se coloreará (generalmente un tinte amarillo), pero menos que el cromo en la mayoría de los casos.
Otra forma de modificación utilizada es aislar un colector estándar o de posventa. Esto disminuye la cantidad de calor que se emite en el compartimento del motor, lo que reduce la temperatura del colector de admisión. Existen algunos tipos de aislamiento térmico, pero tres son particularmente comunes:
- La pintura de cerámica se rocía o se aplica con brocha sobre el colector y luego se cura en un horno. Estos suelen ser delgados, por lo que tienen pocas propiedades aislantes; sin embargo, reducen el calentamiento del compartimento del motor al disminuir la producción de calor a través de la radiación.
- Una mezcla de cerámica se une al colector mediante pulverización térmica para dar un revestimiento cerámico resistente con muy buen aislamiento térmico. Esto se usa a menudo en autos de producción de alto rendimiento y corredores solo en pista.
- La envoltura de escape se envuelve completamente alrededor del colector. Aunque esto es barato y bastante simple, puede conducir a una degradación prematura del colector.
El objetivo de los cabezales de escape de rendimiento es principalmente disminuir la resistencia al flujo ( contrapresión ) y aumentar la eficiencia volumétrica de un motor, lo que resulta en una ganancia en la potencia de salida. Los procesos que ocurren pueden explicarse por las leyes de los gases , específicamente la ley de los gases ideales y la ley de los gases combinados .
Recolección de gases de escape
Cuando un motor inicia su carrera de escape, el pistón se mueve hacia arriba por el diámetro interior del cilindro, disminuyendo el volumen total de la cámara. Cuando se abre la válvula de escape, los gases de escape de alta presión se escapan al colector o colector de escape, creando un "pulso de escape" que consta de tres partes principales:
- La alta presión de cabeza es creado por la gran diferencia de presión entre los gases de escape en la cámara de combustión y el exterior de la presión atmosférica del sistema de escape
- A medida que los gases de escape se igualan entre la cámara de combustión y la atmósfera, la diferencia de presión disminuye y la velocidad de escape disminuye. Esto forma el componente del cuerpo de presión media del pulso de escape.
- El gas de escape restante forma el componente de cola de baja presión . Este componente de la cola puede coincidir inicialmente con la presión atmosférica ambiental, pero el impulso de los componentes de presión alta y media reduce la presión en la cámara de combustión a un nivel más bajo que el atmosférico.
Esta presión relativamente baja ayuda a extraer todos los productos de combustión del cilindro e inducir la carga de admisión durante el período de superposición cuando las válvulas de admisión y escape están parcialmente abiertas. El efecto se conoce como "barrido". La longitud, el área de la sección transversal y la forma de los puertos de escape y las tuberías influyen en el grado de efecto de barrido y en el rango de velocidad del motor en el que se produce el barrido.
La magnitud del efecto de barrido del escape es una función directa de la velocidad de los componentes de presión alta y media del pulso de escape. Los cabezales de rendimiento funcionan para aumentar la velocidad de escape tanto como sea posible. Una técnica son los tubos primarios de longitud sintonizada. Esta técnica intenta cronometrar la aparición de cada pulso de escape, para que ocurra uno tras otro en sucesión mientras todavía está en el sistema de escape. La cola de presión más baja de un pulso de escape sirve para crear una diferencia de presión mayor entre la cabeza de alta presión del siguiente pulso de escape, aumentando así la velocidad de ese pulso de escape. En los motores V6 y V8 donde hay más de un banco de escape, los "tubos en Y" y los "tubos en X" funcionan según el mismo principio de utilizar el componente de baja presión de un pulso de escape para aumentar la velocidad del siguiente pulso de escape.
Se debe tener mucho cuidado al seleccionar la longitud y el diámetro de los tubos primarios. Los tubos que son demasiado grandes harán que los gases de escape se expandan y disminuyan, disminuyendo el efecto de barrido. Los tubos que son demasiado pequeños crearán una resistencia al flujo de escape que el motor debe trabajar para expulsar el gas de escape de la cámara, reduciendo la potencia y dejando el escape en la cámara para diluir la carga de entrada entrante. Dado que los motores producen más gases de escape a velocidades más altas, el (los) cabezal (s) se ajustan a un rango particular de velocidad del motor de acuerdo con la aplicación prevista. Por lo general, los tubos primarios anchos ofrecen las mejores ganancias en potencia y par a velocidades más altas del motor, mientras que los tubos estrechos ofrecen las mejores ganancias a velocidades más bajas.
Muchos cabezales también están sintonizados por resonancia , para utilizar el pulso de rarefacción de onda reflejada de baja presión que puede ayudar a limpiar la cámara de combustión durante la superposición de válvulas. Este pulso se crea en todos los sistemas de escape cada vez que ocurre un cambio en la densidad, como cuando el escape se fusiona con el colector. Para aclarar, el pulso de rarefacción es el término técnico para el mismo proceso que se describió anteriormente en la descripción "cabeza, cuerpo, cola". Al ajustar la longitud de los tubos primarios, normalmente mediante el ajuste de resonancia, el pulso de rarefacción puede sincronizarse para que coincida con el momento exacto en que se produce la superposición de la válvula. Normalmente, los tubos primarios largos resuenan a una velocidad del motor más baja que los tubos primarios cortos.
Algunos cabezales de escape modernos están disponibles con un revestimiento cerámico. Este recubrimiento sirve para evitar la oxidación y reducir la cantidad de calor irradiado al compartimento del motor. La reducción de calor ayudará a evitar que el colector de admisión se empape, lo que reducirá la temperatura del aire que ingresa al motor.
Por qué un V8 de plano transversal necesita un tubo de escape H o X
Los motores Crossplane V8 tienen un banco izquierdo y derecho, cada uno con 4 cilindros. Cuando el motor está en marcha, los pistones se activan de acuerdo con el orden de encendido del motor. Si un banco tiene dos disparos de pistón consecutivos, creará un área de alta presión en el tubo de escape, porque dos pulsos de escape se mueven a través de él cerca en el tiempo. A medida que los dos pulsos se mueven en el tubo de escape, deberían encontrar un tubo X o H. Cuando encuentran la tubería, parte del pulso se desvía hacia la tubería XH, lo que reduce la presión total en una pequeña cantidad. La razón de esta disminución de presión es que el fluido (líquido, aire o gas) viajará a lo largo de una tubería y cuando llegue a un cruce el fluido tomará el camino de menor resistencia y algunos sangrarán, bajando así la presión levemente. . Sin una tubería XH, el flujo de escape sería desigual o inconsistente, y el motor no funcionaría a su máxima eficiencia. El doble pulso de escape haría que parte del siguiente pulso de escape en ese banco no saliera de ese cilindro por completo y causaría una detonación (debido a una relación aire-combustible pobre (AFR)) o una falla de encendido debido a un AFR rico, según sobre cuánto del pulso doble quedaba y cuál era la mezcla de ese pulso.
Geometría de escape dinámica
La comprensión actual de los sistemas de escape y la dinámica de fluidos ha dado lugar a una serie de mejoras mecánicas. Una de estas mejoras se puede ver en la válvula de potencia máxima de escape ("EXUP") instalada en algunas motocicletas Yamaha. Ajusta constantemente la contrapresión dentro del colector del sistema de escape para mejorar la formación de ondas de presión en función de la velocidad del motor. Esto asegura un buen rendimiento de rango bajo a medio.
A bajas velocidades del motor, la presión de las olas dentro de la red de tuberías es baja. Se produce una oscilación completa de la resonancia de Helmholtz antes de que se cierre la válvula de escape y, para aumentar el par a baja velocidad, se inducen artificialmente ondas de presión de escape de gran amplitud. Esto se logra mediante el cierre parcial de una válvula interna dentro del escape, la válvula EXUP, en el punto donde se unen las cuatro tuberías primarias de los cilindros. Este punto de unión se comporta esencialmente como una atmósfera artificial, por lo que la alteración de la presión en este punto controla el comportamiento de las ondas reflejadas ante este aumento repentino de la discontinuidad del área. El cierre de la válvula aumenta la presión local, induciendo así la formación de ondas de expansión reflejadas negativas de mayor amplitud. Esto mejora el par a baja velocidad hasta una velocidad en la que la pérdida debida al aumento de la contrapresión supera el efecto de ajuste EXUP. A velocidades más altas, la válvula EXUP se abre completamente y se permite que el escape fluya libremente.
Ver también
Referencias
- ^ El diseño y puesta a punto de motores de competición , Philip H. Smith , págs. 137-138