Sistema De Escape: Elementos, Conceptos Y Funcionamientos.

El sistema de escape de un vehículo es el responsable de conducir hacia el exterior los residuos que se producen en un motor de combustión interna. Todo proceso de combustión conlleva la generación de residuos, residuos que se producen por diferentes motivos, por ejemplo, cuando la combustión, es decir, la quema del combustible, no se produce completamente se generan residuos “no quemados” que deben ser sacados de la recamara de combustión para repetir el proceso.

Entonces, como el proceso de combustión dentro de un motor es cíclico, es decir, repetitivo, la generación de residuos dentro de la recamara que deben ser expedidos hacia el exterior son constantes. Es allí, donde entra la importancia del sistema de escape, ya que, es a través de él que estos residuos son conducidos hacia afuera del vehículo.

En esta oportunidad en el mundo del motor, extenderemos más el tema acerca del sistema de escape del vehículo, daremos puntos interesantes como su función, partes que lo componen y sus respectivas importancias dentro del sistema.

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    Función del sistema de escape

    El sistema de escape por donde se conducen los gases quemados de un motor de combustión tiene la compleja misión de canalizar los gases que se producen dentro de la recamara de combustión del motor y, que van desde la culata hasta el exterior.

    Por otro lado, una función que tiene alta importancia para el uso del sistema de escape es la misión de reducir el sonido que se genera por los gases producidos, ya que, a medida que estos van saliendo del vehículo se crean ondas de presión que dependiendo de la configuración del sistema de escape los sonidos generados se ven mitigados en mayor o menor medida.

    En algunas clasificaciones al sistema de escape se le considera como un sistema de seguridad, ya que, su misión primordial es la de transportar gases quemados, donde habitualmente éstos son expedidos por la parte posterior del vehículo.

    Es importante señalar que el sistema de escape generalmente influye sobre el funcionamiento del motor. Si la salida de los gases es demasiado libre la potencia del motor se verá aumentada, ya que, los cilindros y toda la cavidad de la recamara se vaciarán con mucha mejor facilidad durante cada explosión, sin embargo, en detrimento de esto el motor se calentará mucho más y se aumentará sobre manera el consumo de combustible.

    Por otro lado, si el sistema está muy obstruido, el motor tendrá falta de potencia por lo mismo que se explicó anteriormente, por ejemplo, en motores de motos, como los dos tiempos, el tubo de escape permite dos funciones a la vez, el mejoramiento del vaciado de los gases, así como la capacidad de compresión del motor.

    Partes del sistema de escape

    En algunos automóviles que no poseen control de emisiones su sistema de escape consta de los elementos nombrados a continuación:

    • Colector de escape.
    • Silenciador.
    • Conductos de evacuación.
    • Sujetadores de la tubería.

    Por otro lado, los automóviles que vienen equipados con un sistema de control de emisiones tienen los siguientes elementos:

    • Colector de escape.
    • Conductos de evacuación.
    • Convertidor catalítico.
    • Silenciadores.
    • Sujetadores de la tubería.

    sistema de escape

    Múltiple de escape (colector de escape):

    El colector o múltiple de escape es entre otras cosas un complejo de tuberías que se encarga de conducir los gases quemados producidos en la recamara de combustión del motor y canalizarlos hacia una tubería extensa hacia la parte trasera del automóvil. Éste se encuentra ubicado cerca de las cabezas de los cilindros del motor, a un costado del cabezote y posee entradas por donde circularán los gases quemados expedidos por el motor.

    Este elemento está diseñado con suaves curvas y ángulos precisos pensados para evitar las presiones y contrapresiones que se presentan en el desplazamiento de los gases dentro del sistema de escape. La forma y disposición del múltiple variará según los requerimientos de los fabricantes de cada motor, por ejemplo, los motores que trabajan a altas revoluciones suelen tener colectores especiales que son llamados “header”, esta configuración posee tubos independientes con las mismas características entre sí de diámetro y longitud.

    En otras palabras, la función del header no es más que la de brindar una salida que permita el escape de los gases con mayor velocidad, este diseño permite entre otras cosas la optimización del funcionamiento en el motor, ya que cuando trabaja a altas revoluciones podrá tener mayor facilidad de escape de los gases. Los colectores son fabricados en fundición de hierro para poder soportar las altas temperaturas que conllevan los gases expedidos.

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    Conductos de evacuación:

    Dentro del sistema de escape, los conductos de evacuación son los encargados de conducir los gases de combustión que van desde el múltiple del colector hasta la salida a la superficie que por lo general va ubicada en la parte posterior del auto.

    Cuando un auto está en funcionamiento las temperaturas que se producen son muy altas, y por ende los gases que salen de la recamara de combustión también están a altas temperaturas, cuando apagamos el motor y éste llega a enfriarse, así como todo el sistema, se produce lo que se conoce como condensación de los vapores, lo cual sucede al interno del sistema de escape, esta gases condensados se transforman en agua, y sabemos que los metales y el agua no se llevan, por ende esta agua puede producir oxidación.

    Por esta razón estos conductos de evacuación son fabricados de acero inoxidable, para de esa manera evitar la oxidación producida por el agua dentro del sistema. Todo esto se hace para evitar que se corroa el sistema, ya que, si se generan perforaciones dentro de sí se generan altos niveles de ruido en todo el sistema de escape.

    Por otro lado, en autos que vienen equipados con sistemas de inyección electrónica donde el sistema de escape posee sensores ECM (módulo de control electrónico) que son activados por sensores de oxígeno que le envían señales para realizar correcciones en la medida correcta de le mezcla de aire-combustible.

    Muchas veces, los autos pueden presentar problemas de alto consumo en combustible debido a la existencia de perforaciones en el sistema de escape y debido a esto se ven aumentadas las emisiones de gases de efecto invernadero.

    Dentro de la configuración del sistema de escape, se encuentran varios tipos de conductos, a continuación, los nombramos:

    • Etapa o conducto inicial: Desde el múltiple son recibidos los gases de combustión y son transportada por este conducto que se encuentra ubicado corriente abajo dentro del sistema de escape.
    • Etapa o conducto intermedio: Esta etapa viene a conectar el tubo de escape con el silenciador en el sistema de escape. El propósito de esta etapa es transportar los gases hasta el silenciador y de esa manera silenciar el sonido que se produce dentro del sistema. Es importante señalar que no todos los autos poseen esta etapa.
    • Etapa o conducto final: Dentro de todo el sistema de escape, completa el diseño, finalmente a través de esta etapa se dirigen los gases de combustión hacia el exterior del auto. De manera general, un conducto de escape final posee una longitud mayor a 35 cm.sistema de escape

    Convertidor catalítico:

    La cada vez más creciente necesidad de cuidar el ambiente ha llevado a la generación de medidas de control a favor del cuidado del ambiente para todas las actividades que producen polución. La industria automotor es de las industrias que mayor generación de contaminación al ambiente generan, y por ende, las aportaciones de medidas de control de emisiones han ido llevándose a cabo.

    Un ejemplo de ello son los catalizadores, que en sus comienzos fueron diseñados para que solo la mitad de los gases de combustión pasarán a través de él mientras que la otra mitad iba directamente a la atmósfera. Ese sistema tan precario fue descontinuado a partir de los 80s gracias a los avances en los sistemas de control de emisiones de los gases de escape. Los catalizadores pueden ser de tres tipos, a continuación, los nombramos:

    Oxidante de una sola vía:

    llamado así por la constitución de éste por un solo monolito cerámico el cual es el encargado de la oxidación del monóxido de carbono y de los hidrocarburos. La oxidación es gracias a que el monolito tiene impregnado elementos activos como el paladio y el platino los cuales ayudan a la generación de la oxidación.

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    Oxidante de dos vías o reductor de doble cuerpo:

    Este tipo de catalizador como su nombre lo indica, es un doble catalizador de oxidación que además tiene una toma intermedia de aire. Su doble cuerpo actúa como un doble sistema de catalizador, es decir, el primer cuerpo actúa como directamente sobre los gases ricos que provienen de la recamara de combustión reduciendo así los componentes NOx mientras que el segundo cuerpo actúa sobre los gases reduciendo los hidrocarburos y el monóxido de carbono gracias a la toma intermedia de aire.

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    De tres vías:

    Dentro de todos los comentados, este viene a ser el de mayor tecnología y evolución. Tiene la función de eliminar los tres gases polucionantes principales que encontramos en los gases de combustión, estos son: el monóxido de carbono, los hidrocarburos y los óxidos de nitrógeno, este proceso sucede gracias a las reacciones de oxidación y reducción que produce el catalizador dentro de su estructura.

    Lo revolucionario de este sistema y del cual su eficacia tiene dependencia es gracias al uso de un dispositivo electrónico que mide la cantidad de oxígeno en los gases de combustión que salen por el sistema de escape, este dispositivo electrónico tiene control y medida permanente en la cantidad que hay de este elemento en los gases de admisión.

    Como dato, la mezcla de gases que entra al sistema de escape debe mantener un valor estequiométrico muy cercano al valor que se considera optimo, el cual se señala para cuando el valor de lambda es igual o muy cercano a 1.

    Por otro lado, al interior de este catalizador viene contenido un soporte cerámico que es de forma cilíndrica además que viene con una estructura en forma de panal estructurada de múltiples celdillas, las celdillas poseen una densidad de aproximadamente 70 por centímetro cuadrado.

    Las condiciones que permite las funciones de oxidación y reducción viene dada por la presencia de algunos elementos metálicos nobles que están impregnados con una resina sobre la superficie del catalizador, estos elementos son: platino, paladio (permiten la oxidación) y el rodio (interviene en el proceso de oxidación), además a lo interno, el monolito cuenta con una tela metálica que sirve de aislante y evita daños posibles por vibraciones, así como un aislante cerámico que se encarga de reducir la perdida de energía calorífica cuando el motor está apagado.

    Es importante señalar que los elementos nombrados actúan como elementos activos catalizadores, en otras palabras, inician y aceleran las posibles reacciones entre las sustancias con las cuales entran en contacto por supuesto, sin que estos primeros participen en las reacciones.

    Todos estos gases que entran al sistema de escape y que son generados por la combustión en el motor, al entrar en contacto con estos elementos activos dentro del catalizador se ven transformados parcialmente en otros elementos no polucionantes, reduciéndose así la proporción en que estos gases son emitidos al ambiente.

    Dentro de las características del funcionamiento del catalizador, la temperatura por así decirlo “óptima” se consigue cuando éste trabaja en un rango de entre 400 º C a 700º C, cuando las temperaturas son menos a los 400º C no entra en funcionamiento y, por ende, las emisiones de gases de efecto invernadero y la contaminación es mucho mayor.

    Esto muy usualmente sucede en los arranques en frío del auto, ya que, el motor además está trabajando con una mezcla rica en combustible y estos sucede hasta que el auto alcance su temperatura óptima de funcionamiento, el cual es cuando el motor alcanza unos 92º C, generalmente esta espera dura alrededor de 5 minutos.

    Los últimos avances en esta materia por parte de los catalizadores es la incorporación de un sistema adicional de precalentamiento, este sistema permite que el catalizador comience a trabajar casi inmediatamente luego del arranque en frío del auto, con esto el tiempo en que el catalizador comienza a trabajar se reduce por alrededor de 90 segundos, todo esto obviamente genera una alta reducción de la contaminación de esta etapa del funcionamiento del vehículo.

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    Sistema de postcombustión

    Muchos de nosotros no sabemos que muchos de los hidrocarburos que permanecen en el sistema de escape pueden ser limpiado muy bien. El primer método que fue utilizado para hacer esto fue bombear al interior del múltiple de escape aire adicional lo que permite que una mezcla adicional de oxígeno entre ayudando éste proceso a la oxidación de los hidrocarburos y los monóxidos de carbono que quedan en los gases de escape.

    Lo bueno de este método es que no reduce la potencia del auto, debido a que solo se necesita una muy pequeña potencia para la operación de la bomba de inyección de aire. La bomba de inyección de aire viene impulsada por una banda la cual como función introduce el aire y los hace pasar por un filtro que luego es bombeado a través de una válvula de desvío luego una válvula de retención y finalmente tubos de inyección.

    Por otro lado, en los sistemas de reactor de aire, el aire va dirigido hacia el múltiple de escape en el punto cuando el motor del auto está aún frio y además trabajando con una mezcla rica en combustible. El aire allí lo que permite es que se complete la combustión de los hidrocarburos y los monóxidos de carbono.

    Lo bueno de este proceso es que el aire que viene agregado por este proceso de combustión ayuda al alcance de la temperatura del catalizador haciendo mucho más rápido el proceso de catálisis y, por ende, disminuir las emisiones de los gases polucionantes.

    Dentro de este sistema, la válvula de alivio se abre cuando el motor está trabajando a altas revoluciones de la misma manera que trabajan las válvulas operadas mecánicamente, además de esto las válvulas de alivio también permite la descarga de aire adicional en el múltiple de escape en el punto cuando el motor tiene desaceleración.

    Mientras, la válvula de desvío que es manejada por computadora se ve operada por un elemento llamado solenoide, el cual permite que el flujo de aire cambie desde el múltiple de escape hacia el múltiple de admisión cada vez que esto sea necesario.

    Cuando el motor del vehículo está caliente, la computadora del auto cambia la dirección del flujo de aire desde el múltiple de escape hacia el catalizador, este suministro de oxígeno al catalizador es el que permite la oxidación de los hidrocarburos y el monóxido de carbono que usualmente se quedan entrampados en los gases de escape.

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    Sistema de válvula pulsair:

    Este es una válvula del tipo oscilante en la que una membrana de acero libera y obtura un conducto de paso. Mientras el gas realiza su recorrido hacia el exterior se producen pulsaciones por los cambios de presión, este suceso es el que hace que la membrana de la válvula oscile.

    Como el proceso de combustión dentro del motor necesita que los gases que se producen escapen para poder continuar el efecto cíclico, las válvulas en el motor permiten la salida de éstos, ese proceso de salida de los gases genera variaciones de presión, que al final es el responsable de la obturación y apertura de la válvula pulsair. Hay que decir que usualmente la válvula pulsair es usada para cada dos cilindros, si por ejemplo se cuenta con un motor de cuatro cilindros habrá dos válvulas pulsair, cuyos múltiples de escape estarán conectados por un lado de los cilindros.

    Como ya comentamos, el funcionamiento del motor genera cambios de presión, la membrana de la válvula pulsair obtura el paso del aire cuando los gases quemados salen de la recamara de combustión e inmediatamente después del cierre de la o las válvulas de escape del motor, el vacío generado por la salida de los gases genera una depresión que permite que se abra la válvula pulsair permitiendo la entrada de aire al sistema.

    Válvula de vacío:

    La válvula de vacío fue diseñada para poder controlar los distintos requerimientos del motor cuando está en sus diferentes etapas de funcionamiento, ya que, el motor a diferentes regímenes necesita diferentes niveles de aire fresco, y esta válvula comanda el vacío ya que éste no es constante.

    Por ejemplo, cuando el motor está trabajando a altas revoluciones el embolo de obturación se coloca a la mitad de su recorrido total, lo que permite que se regule la cantidad de aire que va a ingresar al sistema de escape.

    Cuando el motor se encuentra trabajando a bajas revoluciones el embolo de obturación se abre mucho más para permitir una buena entrada de aire que permita a los gases poder combustionar mientras que cuando el motor está sufriendo problemas de detonaciones, la presión que se produce dentro del sistema de escape obliga a que el embolo se cierre evitando así que la flama de detonación perjudique el sistema de inyección de aire.

    Conclusiones

    Como hemos hablamos en todo este artículo, el sistema de escape fue diseñado para la correcta eliminación de los gases de escape desde la recamara de combustión hacia el exterior del vehículo. Gracias a los avances de la ciencia en los diferentes puntos de la tecnología y el aumento de la preocupación por el cuidado del planeta han sido diseñados formas cada vez mejores de poder controlar que estos gases de efecto invernadero cada vez sean menos dañinos para el ambiente.

    Es importante saber que la industria automotriz que al menos en los años cercanos no pretende descender en tamaño es el mayor contaminador del ambiente, el gran parque automotor del mundo es el responsable directo de al menos 60% de la contaminación mundial, sin embargo, cada vez más los avances van surgiendo para combatir esta terrible verdad, mientras tanto, nosotros, desde el mundo del motor esperamos que la espera no sea mucha.

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