domingo, 17 de marzo de 2013

MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA EN AUTOMOCIÓN (PARTE XXIII)

Hola a todos

Después de mucho tiempo ausente por fin regreso para escribiros un nuevo artículo, y comenzar nuevo tema (dentro de los motores). Por supuesto, en un día tan señalado no me olvido de comentaros mis impresiones sobre el G.P. de Australia de Fórmula 1, carrera que inaugura la temporada y que se ha disputado hoy, y lo haré en la página de facebook (ya sabeis, pinchad en el enlace de la derecha a la página siq uereis visitarla).


Bien, ya metidos en faena deciros que hoy empezaré a explicar un tema muy interesante dentro de los motores. En entregas anteriores he explicado como funciona un motor, como se introduce el aire y el combustible, como se lubrican sus partes móviles, y como se refrigera. Pero nos queda por saber como se expulsan los gases sobrantes (producto de la explosión que ocurre dentro del cilindro). Bien, estos gases se expulsan a la atmósfera por medio de el sistema de escape. Veamos un diagrama para entender como funciona:

Este diagrama es el correspondiente a los motores actuales de combustión interna, ya que el convertidor catalítico es una pieza que se incorporó, al igual que los sensores de oxígeno (sondas lambda), al mismo tiempo que se introdujo la inyección electrónica. Pero vamos por partes, y así lo vemos mejor (explicaré como en el diagrama, de izquierda a derecha).
  • Vávulas de escape: Ya os expliqué que son las válvulas en el artículo correspondiente (pinchad aquí si quereis recordar o saber).Bien os vuelvo a poner un ejemplo de las válvulas de escape, ya que aunque sean parte del sistema de distribución del motor, también son el primer punto del sistema de escape.
Coloreado en rojo, el flujo de gases de escape. Las válvulas de escape recordad que siempre son más grandes, y se fabrican el aleaciones especiales para soportar las altas temperaturas a las que se las somete (hasta 1000º C en algunos casos).


Aquí observareis la diferencia de tamaños entre las válvulas de admisión (izquierda) y las de escape (derecha). Ademas, en este caso, las de escape son del tipo bi-metal, con dferentes aleaciones de acero para hacerla resistente a las altas temperaturas, pero lo suficientemente dúctil para soportar las dilataciones y compresiones que sufrirá. El problema es que cuanto más resistente es la aleación de acero, peor conductividad calórifica tiene y más temperatura alcanza (lo que no queremos que suceda).

Aquí vemos como el fuego que sale del cilindro, hace que el calor se traslade desde la cabeza de la válvula hasta su vástago, que se encargará de disipar el calor gracias al líquido refrigerante del motor. Pero esto a veces no es suficiente y se hace necesario la utilización de válvulas especiales.



Estas válvula de escape es una válvula hueca, que va rellena de material conductor del calor como pueden ser el sodio o alguna sal. Cuando la cabeza de la válvula alcanza mucha temperatura, se licúa el sodio y este transporta el calor más rápidamente que si la válvula fuera toda de acero.
  • Colectores de escape: En el esquema lo llama múltiple de escape, esto es debido a que se hace un tubo de salida por cada cilindro (colector), pero luego se empalman para convertir en dos o un sólo tubo, así reducimos el espacio que ocupan los escapes. El colector de escape es quizá la pieza más importante del sistema de escape del motor, ya que de su correcto diseño dependerá el buen rendimiento del motor (térmico y mecánico). Un buen diseño puede conseguir un vaciado óptimo del cilindro, y como consecuencia más potencia y par motor, y además un mayor rango de utilización del motor, ya que podremos aumentar más las rpm. sin perjudicar el rendimiento.

Dos ejemplos de colectores de escape, para cuatro cilindros. La denominación técnica sería colector de escape 4-2-1, ya que hay cuatro salidas que empalmamos dos a dos y terminamos empalmando en 1 sólo tubo. Los empalmes son en forma de Y griega o empalme en pantalón que se llama también. ¿Por qué unimos de esta forma y no formando ángulos rectos u otra forma geométrica? Porque se ha demostrado que esta forma es la mejor para disminuir los rozamientos de los gases con las paredes del colector al mínimo, y así permitir la rápida expulsión de los gases (ya que interesa que salgan lo más rápidamente posible).
Por otra parte los colectores de escape se fabrican en acero de alta aleación para aguantar la corrosión, normalmente con un proceso de cromificación (añade cromo a su superficie) o aluminización o silicación (se añaden alumino o silicio respectivamente) para aumentar la resistencia a la corrosión. Además se añaden componentes como el cobalto, molibdeno y vanadio para soportar altas temperaturas y dilataciones extremas. Para la competición ya explicaré en su momento, pero se utiliza el acero inoxidable ya que es el acero que mejor soporta la corrosión, aunque sea bastante más caro.
  • Sonda Lambda: O sensor de oxígeno disuelto en gases. Este sensor es utilizado para informar a la ECU (la unidad de control electrónico) de la cantidad de oxígeno sobrante que hay en los gases de escape, y así variar el consumo y caudal tanto de combustible como de aire fresco; eso si esta sonda sólo se instala en motores gasolina modernos, los Diésel no lo necesitan porque siempre trabajan con esceso de aire.
Fotografía en la que observareis donde va instala la sonda lambda.Se colocan dos, uno en el tramo anterior al catalizador y otro en la salida del catalizador. Esto se hace así para que la computadora pondere los datos y actue en consecuencia.
  • Convertidor catalítico: También llamado catalizador, es una de las piezas que son innecesarias para el funcionamiento correcto del sistema de escape. Su inclusión se debe a razones medioambientales y de salud, ya que de la combustión del combustible más el aire se obtienen vapor de agua, dióxido de carbono, monóxido de carbono (altamente tóxico) y muchos óxidos diversos de nitrógeno. Esta pieza se encarga de reducir u oxidar dichos óxidos y peróxidos para que salgan a la atmósfera transformados en nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono y vapor de agua. Estos catalizadores modernos son los considerados de triple acción, anteriormente eran de doble acción y no reducian los óxidos de nitrogeno, liberandolos a la atmósfera tal cual llegaban.
Aquí veis en la fotografía un convertidor catalítico, sabed que la palabra catalizador en química se refiere a todo elemento que acelera una reacción química, sea de oxidación o reducción. 

 

Y aquí un esquema con el funcionamiento y la estructura interior. Se utilizan para su fabricación materiales muy caros como son platino, paladio o rodio, y la carcasa es de acero para soportar los impactos ya que el interior es frágil, normalmente de material cerámico o de aleación de alta resistencia a la corrosión y a la temperatura, pero poca resistencia al impacto. La celdilla del panal en nido de abeja contiene el sustrato activo que es el catalizador propiamente dicho de las reacciones que se producen en su interior. La temperatura ideal de trabajo de esta pieza ronda los 400º C, por lo que hasta que no pasan unos 7-10 min. desde la puesta en marcha del motor, no funciona. Por eso en el arranque en frío es recomendable no pisar a fondo el acelerador hasta que haya transcurrido esos 10 minutos de marcha, con el objetivo de que el calentamiento sea progresivo y no brusco.
  • Silenciador: Esta pieza es la encargada de reducir el ruido que se produce al abrir la válvula de escape y dejar escapar los gases de la combustión. Como todos sabeis, en el interior del cilindro ocurre una explosión con el consiguiente ruido atronador propio de una explosión. Si no pusieramos esta pieza ese ruido llegaría al exterior tal cual, con la consiguiente molestia. En competición este elemento se suprime, ya que tampoco es necesario su uso (además al igual que el convertidor catalítico, frena la salida de gases, hecho perjudicial para el rendimiento).

Arriba observareis una foto de un silenciador (lo habreis visto más de una vez en un taller seguro). Abajo el esquema de su interior, donde vemos que los gases se van frenando a traves de unas placas perforadas, de esta manera reducimos el ruido de los mismos. Dependiendo del motor se fabrican de una manera o de otra, ya que cada motor da unas caracteristicas y una cantidad específica de gases, por lo que un silenciador que le sirve a uno no le puede valer a otro motor distinto.

Y aquí el principio en que se basa el funcionamiento del silenciador, que trabaja reduciendo la onda de choque de los gases debido a las interferencias que se producen al chocar y rebotar las ondas contra las paredes y piezas del silenciador. Quiero recordaros que el sonido es una onda mecánica que se transmite a través de la materia por choque.
  •  Resonador: Esta pieza no esta presente nada más que en vehículos de alta gama, ya que es más cara de desarrollar que un silenciador. En vehículos de lujo y alta gama se usa para reducir aun más el ruido de los gases de escape y en vehículos de altas prestaciones para cambiar y amplificar la amplitud de onda y así hacer un ruido más intenso y deportivo.
Como veis un resonador es prácticamente lo mismo que un silenciador, sólo que el resonador tiene la función de disminuir o aumentar el ruido, el silenciador sólo lo disminuye.
 
 Otro esquema de resonador, tubo perforado por donde pasa el gas, y añadimos una capa amortguadora de ruido (puede ser lana de roca o material aislante) y una capa de material que abrocha y tapa todo esto.
  • Tubo de cola: Es la parte visible desde atrás del vehículo y última del sistema de escape. Su misión es sencilla, permitir la salida de los gases de escape a la atmósfera. Se realizan en materiales como acero resistente a la corrosión, acero inoxidable o titanio. Esta parte en algunos automóviles se realiza con formas pensadas más en la estética que en la funcionalidad propiamente dicha. En este punto, cuando los gases salen al ambiente ya están enfriados y su temperatura ronda los 100º C. Os pongo unos ejemplos de colas de escape:




Y por ahora es suficiente, ya indagaremos más en el funcionamiento del sistema de escape. Espero os haya gustado el artículo de hoy y espero también poder actualizar con más asiduidad, hasta pronto.

A continuación, la bibliografía consultada:

- http://luisarteaga.wikispaces.com/MOFLE+SILENCIADOR
- http://autos.aollatino.com/2010/02/22/como-funciona-un-convertidor-catalitico/
- http://noticias.coches.com/noticias-motor/relacion-entre-las-sondas-lambda-y-el-catalizador/23758
- http://www.tallervirtual.com/2009/04/29/el-rol-de-las-valvulas-del-motor/
- http://www.sabelotodo.org/automovil/sisescape.html