Motores (Vol.4): El Escape

Hoy vamos a tratar unos de los temas técnicos más complicados, misteriosos y controvertidos que hemos tratado nunca en FuelWasters: El sistema de escape del coche. Un asunto en el que se mezcla la mecánica básica con la acústica y la física de las ondas (con sus frecuencias), así como la dinámica de fluidos, y un enorme componente de misterio, que hace de este un tema donde es casi imposible predecir el resultado de lo que podamos planificar sobre el papel (mucho más lo que nos vaya a salir en el metal...).

El sistema de escape es el que permite que los gases producidos por la acción del motor después de la explosión salgan del motor y sean expulsados a la atmósfera de una forma controlada. Yeah, ha sido fácil decirlo. Pero cuando veas lo que hace en realidad un escape, y los factores que hay que manejar, tu vida será un infierno.

Como siempre que hablamos de temas complejos, vamos a desmentir una serie de afirmaciones que, a pesar de estar bastante extendidas, no son ciertas por sí mismas en absoluto: "A escape libre el coche corre más" Falso. "El motor necesita contrapresión para correr" Falso. "Cuanto más calibre tenga el escape más corre el coche" Falso. "Sí, porque restringe menos" Falso joder!

Comencemos por lo básico:

Cuando el motor funciona en su ciclo convencional (gasolina 4 tiempos de toda la vida), al abrir las válvulas de escape se liberan los gases fruto de la explosión, y salen del cilindro por la culata camino de los colectores de escape. El tramo completo de escape suele ser: Colectores - Downpipe - Intermedio - Silencioso - Atmósfera del planeta Tiera. Si el motor es catalizado, llevaremos además un catalizador, que en la mayoría de los casos se coloca en el tramo intermedio.

Lo complicamos un poquito más (pero poquito): Los gases de escape no salen de forma continua del motor como el agua que fluye de un manantial de la Sierra de Gredos. No. Salen a trompicones en un ritmo muy concreto establecido por el orden de encendido del motor. De esta manera, salen los gases de escape de uno de los cilindros que se encuentra en fase de escape, se cierran las válvulas, a continuación se vuelven a abrir para que hagan lo mismo los gases de otro de los cilindros, se vuelven a cerrar, y así sucesivamente en pequeños soplidos que se suceden al ritmo de funcionamiento del motor. Esos soplidos son los PULSOS del escape.

Aquí llegamos, casi sin darnos cuenta, a uno de los primeros temas complejos del sistema de escape: Los colectores. Un colector de escape tiene un diseño realmente complejo, estudiado al milímetro, y tiene una importancia vital en el funcionamiento del motor. Cuando los ves desde fuera parecen un grupo de tubos anudados de una forma realmente extraña, y es que esa forma tan peculiar tiene una explicación con mucha miga: Cada tubo no es más que el conducto por el que salen los gases de escape de cada uno de los cilindros, hasta un punto de unión en común (hablando de colectores 4-1, los 4-2-1 ya los explicaremos, ahora nos interesa ir a lo esencial y no complicarlo más), y lo deseable es que cada uno de esos conductos mida lo mismo que los demás, para que los gases de escape de cada cilindro recorran siempre la misma distancia antes de juntarse en el tubo de escape. Por ese motivo, y como cada cilindro sale de un sitio diferente, deben hacerse un extraño nudo para que cada conducto mida lo mismo y confluyan en el mismo punto.

Pero no es sólo eso. Eso sería muy sencillo... No. Además, los colectores de escape deben estar diseñados de forma que cada pulso de escape que sale de los cilindros a una velocidad de giro determinada, lo haga de forma acompasada con los demás, es decir, que los distintos "soplidos" que van saliendo a ritmo de cada uno de los tubos, debe llegar al punto de unión de forma ordenada para que se vayan solapando los unos con los otros y no choquen. Esto, lógicamente no se puede hacer de forma continua porque con las revoluciones del motor todo va cambiando, de forma que se optimizan para que este efecto suceda a una velocidad de giro determinada (la que los ingenieros determinen que es la más importante para el uso que se le va a dar a ese motor).

(Échale horas para hacer uno de estos...)

¿Nada más? No. También se controla el calibre interior de esos tubos del colector de escape. Porque si vamos variando la medida de paso de estos conductos aumentándolos o disminuyéndolos, conseguiremos acelerar o ralentizar la velocidad a la que fluyen los gases. La regla general es que si pasamos de un calibre mayor a uno menor, se acelera la velocidad de los gases, mientras que si pasamos de uno menor a uno mayor, se ralentizan. Con esa premisa, los ingenieros juegan con diferentes fases de medidas para ir creando mayores o menores velocidades y presiones de los gases en puntos concretos del colector (la teoría dice que lo correcto es que el calibre vaya aumentando gradualmente). Y a ello también contribuye mucho la rugosidad de las paredes del tubo en su interior, pero en realidad eso es algo más complicado de determinar, porque en la práctica suele ser una cuestión de que el fabricante del colector ofrezca una mayor o menor calidad de fabricación, costes de producción, etc. Siempre se puede optimizar y pulir el interior del colector para conseguir que los gases fluyan con mayor facilidad, pero para lograr un acabado verdaderamente notable, uno se tiene que ir a cosas de alta competición que se nos escapan a la mayoría de los mortales.

Además, el colector de escape de serie suele tener un estudio bastante intenso en el tema de absorber las vibraciones que recibe, de forma que no se formen las famosas grietas en los colectores con el paso del tiempo. Hay quien dice que los colectores buenos no se rajan, y los malos sí. Nuestra experiencia con motores turbo (que son los que más sufren en este aspecto), es que hemos visto colectores aftermarket propios y ajenos de marcas de primer nivel rajarse después de cierto uso; y en cambio los de serie casi siempre suelen resistir mucho mejor incluso con el motor potenciado (aunque también hemos visto colectores de serie rajados...). Así que no os dejéis convencer por ningún "vende-motos", porque en todas partes cuecen habas. 

Como curiosidad, vale la pena comentar que en muchos motores de cilindros en V, los colectores suelen tener un punto de unión entre los conductos de una bancada y los de la otra, para igualar las contrapresiones de los cilindros de ambas. Luego explicamos qué es ese palabro que me acabo de inventar, "contrapresión"...

Una vez vistos los colectores, lo que hacen y lo que no, continuamos viajando por el interior del tubo de escape:

En el caso de un motor turbo, el escape se complica, porque tras salir de colectores, los gases son conducidos al turbo, donde mueven la turbina del compresor pasando por la caracola de escape, y de ahí retoman su viaje por el tubo de escape vía down pipe.

(Sabes que quieres ver a un Supra pegando petardazos por este escape, y que se le pongan los bigotes tostados...)

A partir de aquí, el sistema es relativamente sencillo en el tramo intermedio. Básicamente los gases viajan a través del tubo de escape, que tiene su sección concreta (es deseable que sea la misma siempre, aunque por supuesto, hay muchos matices), y realizando una serie de curvas para adaptar la tubería a los bajos del coche, salvando obstáculos y rodeando otros elementos mecánicos.

Esas curvas también tienen su importancia. Es sabido que en las curvas y codos los gases se ralentizan un poco, pero no tanto como todo el mundo suele pensar, y además también cumplen su función. En cambio lo que sí es importante de esos codos, es su sección interior: Lo deseable es que durante todo el codo el tubo mantenga el mismo calibre interior. Esto sólo se consigue con un tubo de escape de serie, o bien soldando codos ya comprados de unas medidas concretas. La opción "buena" es hacer las curvas del tubo con una dobladora de mandrel, que básicamente te hace una curva perfecta por su parte interior, sin alterar el calibre, pero por desgracia, una de esos bichos cuesta una fortuna. Lo más común suele ser usar una dobladora de tubos convencional, provocando que en la curva se "chafe" un poco el tubo, y disminuya su sección interior (además de provocar turbulencias por formarse aristas o ángulos extraños). Para entenderlo mejor, en la próxima cena romántica con vuestra novia en Burger King, proponedle que doble la pajita del refresco sin chafarla (no vale usar el estriado que traen para doblar)... Algo parecido sucede cuando doblamos un tubo de escape. Ahora dejad de pensar en obscenidades con el ejemplo anterior, que nos queda mucho por ver, y la concentración hoy en día es un bien escaso.

Y finalmente, llegamos al silenciador. Y aquí es donde uno se puede volver loco de remate.

Los dos sistemas más comunes de silenciador (también llamados "silenciosos") son la REFLEXIÓN y la ABSORCIÓN:

REFLEXIÓN: Vamos con una breve noción de ondas, frecuencias y acústica a modo de introducción. Una onda de sonido tiene una frecuencia concreta, que forma una oscilación hacia arriba (cuando alcanza mayor presión) y hacia abajo (cuando la presión baja). La diferencia entre ambos picos de alta y baja presión nuestro oído la interpreta como sonido. Cuanta mayor es la diferencia (amplitud), más alto suena el sonido en nuestros oídos. Si entiendes esta idea, puedes comprender la siguiente. De lo contrario, será mejor que la releas...

Comprendiendo cómo funciona una onda, deberás entender cómo funciona el silencioso por reflexión: Consiste en crear una onda que sea exactamente igual a la que compone el sonido del motor, pero con sus oscilaciones justo en forma opuesta, de manera que donde la onda haga pico hacia arriba, la nueva onda que creamos nosotros haga lo mismo pero hacia abajo, y viceversa. De esta forma, se podría decir que una es el negativo de la otra, y cuando se encuentran, ambas se neutralizan, haciendo que desaparezca el sonido.

(La línea verde A1 es la onda del sonido del escape, la línea azul A2 es la onda contraria, y cuando se suman, se neutralizan unos picos con los otros, resultando la línea roja, es decir, el silencio.)

Aquí cobra importancia la aparición del RESONADOR en el interior del silencioso. El resonador es una cámara vacía dentro del silenciador, con un agujero en su pared, de forma que deje pasar parte de las ondas que llegan a él. Se estudia su diseño para que la onda entre en interior de una forma modificada, rebote en la pared de su interior, y vuelva a salir por el mismo agujero con sus características alteradas. Se calculan las medidas para que esas ondas "rebotadas" del interior se encuentren con las del exterior y las neutralicen.

Una vez más, influyen las revoluciones del motor (y otros factores como la temperatura), que hacen variar la frecuencia de esa onda de sonido. Por eso los ingenieros procuran calcular la reflexión para silenciar unos sonidos concretos del motor en determinadas circunstancias (los sonidos más fuertes, los regímenes donde se va a utilizar más el motor, etc.).

ABSORCIÓN: El sistema de absorción es el que utilizan casi todos los escapes aftermarket. Si el sistema anterior estaba plagado de sofisticaciones y un puñado de magia, el de absorción carece de todo misterio, y trata de silenciar el sonido del escape poniendo aislantes de todo tipo que absorban las vibraciones sonoras. Exacto, es como ponerle un cojín al cañón de un rifle para que no haga ruido y decir que tu invento es de lo más refinado.

Básicamente es un tubo por el que pasan los gases de escape, al que le han hecho agujeros en las paredes, y que va recubierto de varias capas de aislantes que intentan absorber el sonido como pueden.

La diferencia es obvia, pero también lo es su aplicación: Un silencioso de reflexión es muy eficaz, pero tiene un componente restrictivo importante (con tantos rebotes los gases de escape no fluyen con facilidad), mientras que el silencioso por absorción permite fluir a los gases por su interior con mayor rapidez y sin chocar con nada.

Y esto nos lleva al tema de la contrapresión (back pressure): Los pulsos del escape se van agolpando a medida que se ralentizan por el conducto del escape, y como si fuera una muchedumbre saliendo de un centro comercial con las puertas pequeñas, se van sumando cada vez más atrás hasta formar una cierta presión a la misma salida del motor. Esa presión (llamada contrapresión, o backpressure) formada en el exterior de las válvulas de escape, dificulta que los gases sean expulsados del cilindro por el pistón, lo que se suele traducir en una pérdida de eficacia del motor (resumiendo a lo loco). La fase del motor que produce la potencia es la de explosión, mientras que las otras 3 "lastran" el giro del mismo, y en concreto la contrapresión del escape es uno de esos factores que hacen que el motor gire peor, consuma más, y rinda menos. En cambio, la práctica demuestra que algo de contrapresión en su justa medida ayuda al funcionamiento en regímenes bajos y medios, y que sin la debida contrapresión el motor funcionará mal. Es más, todos sabemos que si a un coche le quitas los escapes y colectores funciona peor... 

(Con un coche de Nascar en su estado natural, es decir volcado, podemos apreciar el glorioso sistema de escapes laterales característicos de estas malas bestias. Colectores, punto de unión, y dos salidas en forma de abanico hacia ambos lados del coche. Una obra maestra.)

Resumiendo las cosas hasta el ridículo, y saltándonos a la torera muchos factores importantes en el tema del back pressure, la idea general es que con poca contrapresión el coche tiende a funcionar peor en bajos y mejor en altos, y viceversa; de todos modos, cada motor es un mundo, tiene un diseño concreto, y no se aplican estos principios al 100%. Sobre si es mejor o peor una cosa o la otra, pensemos que un coche de circuitos tiende a usar más el motor a altos regímenes, mientras que uno de rallyes debe dar más importancia a los regímenes medios para salir de las curvas más retorcidas de un tramo. Encontrar el equilibrio perfecto es ya una cosa loca. Nosotros, para movernos por la calle, preferimos un poco de todo, de forma homogénea, porque si bien un motor lleno de bajos y nada de altos carece de carácter y diversión, con uno que sólo empuje arriba no haces nada, y te acaban pasando por encima todos los coches con algo de par y buena entrega de potencia...

Después del jaleo de la contrapresión, y para terminar con algunos aspectos menores, debemos aclarar el tema de la temperatura y el diámetro del escape: Como podemos deducir, cuanto menos restrictivo es un escape, con más facilidad se liberan los gases de la explosión, con más eficiencia funciona el motor a la hora de aspirar aire por la admisión (a grandes rasgos), y cuanto más estrecho sea el paso interior del escape más restrictivo resulta. Pero no todo el campo es orégano, y la virtud está en el justo medio: Si el calibre del escape es demasiado grande, los gases se ralentizan a la vez que se enfrían, y producimos el efecto contrario al que deseamos... Por eso cada motor requiere un tipo de escape, y por eso los tuneros con un motor pequeño y un escape enorme sólo consiguen convertir su coche en un ruido molesto que se mueve despacio.

Ya poco más queremos explicar por hoy, que bastante jaleo os hemos montado. En próximas ocasiones hablaremos del resto de aspectos que influyen en el sistema de escape, y le pondremos patas explicando qué soluciones podemos adoptar en el mundo real para mejorar el escape de nuestro coche, con cifras en euros y problemas de homologación...