Tubo De Escape: 3 Factores De Diseño Y Sus Gases De Escape

El tubo de escape en el vehículo es un punto de suma importancia dentro de funcionamiento. El motor en su proceso de generar la energía mecánica quema combustible en su interior, ese combustible fósil crea las condiciones térmicas necesarias para poder mover el mecanismo del motor. El motor gracias a esa quema de combustible puede mover sus cilindros que se encargan de transmitir junto a las bielas y el cigüeñal la potencia que luego moverá las ruedas.

Como todo proceso de conversión de energía la eficiencia no es del cien por ciento, la transmisión de calor por parte de la quema de combustible no se traduce totalmente en potencial mecánico, debido a procesos de pérdidas de energía como la fricción. Por otro lado, el proceso de quema de combustible origina una constante emisión de gases de combustión, estos residuos producidos deben salir constantemente de las recamaras de combustión para continuar el proceso continuo de entrada y salida de combustible.

En primera instancia luego de que la mezcla de combustible es quemada en la etapa de explosión dentro de los cilindros se dispone a salir por las válvulas de escape dispuestas en la parte superior de cada cilindro. Una vez hecho un recorrido que puede incluir múltiples de escape, colectores, catalizadores y silenciadores llega al tubo de escape, y es por aquí donde nosotros podemos observar esos gases que le dan vida al corazón del auto.

Para hacer una comparación jocosa, imaginemos un dragón cuyo fuego sale por su boca, ahora imagine el tubo de escape. ¿No cree usted que el tubo de escape es como la boca del dragón?, podríamos decir entonces que el tubo de escape es la boca de nuestros vehículos y por donde sale todo su poder a la superficie.

¿Qué es el tubo de escape?

El tubo de escape es un elemento metálico en forma cilíndrica generalmente, la forma exacta por lo general depende del diseño optimo realizado para el tipo de vehículo. El propósito del tubo de escape es la de brindar una salida final para los residuos de los gases de combustión que fueron generados en los cilindros del motor.

¿Cómo se diseña un tubo de escape?

El tubo de escape tiene tres puntos importantes para ser contemplado a la hora de diseñarlo. La forma, tamaño y material dependerán exclusivamente de estos tres puntos, a continuación, en el mundo del motor hablaremos un poco de esos dos aspectos.

Geometría optima:

Como todo proceso dónde haya que evaluar los desechos de una máquina, lo primero que se evalúa en este punto es la cantidad volumétrica y másica que se desprende del consumo del motor. Es decir, en términos generales a cuanto más o menos consuma en combustible el vehículo para recorrer una distancia determinada de esa misma manera las consideraciones de diseño de la geometría serán evaluadas.

Otros puntos importantes se refieren a la geometría de la cámara de combustión, la relación de compresión, la velocidad del pistón y de apertura de las válvulas frente al giro del cigüeñal, como muchas cosas más.

Para dar un ejemplo acerca de la geometría optima, imagine un tobogán de agua, podrá recordar que los tubos son colocados de tal manera que las velocidades que experimentamos en el descenso sea lo más seguro posible, así como se toman en cuenta esos puntos para la construcción de un tobogán de la misma manera se hace para la creación idónea de un tubo de escape.

Transferencia de calor:

Para este punto se debe tomar en consideración dos cosas, una que la temperatura que se alcance durante la salida de los gases de combustión no exceda el punto de fluencia del material y que la temperatura a su vez sea lo suficientemente alta para contribuir a mantener una densidad de los gases bajas que permita una salida rápida de ellos.

El primer punto está ligado exclusivamente con los costos, es decir, posiblemente se pueden utilizar materiales de alta resistencia al calor, sin embargo, esto puede aumentar los costos de fabricación muchísimo. Lo que hacen los ingenieros de diseño es optimizar el punto entre el costo del material y la influencia de este en la resistencia al punto de fluencia.

Por otro lado, es importante saber que algunos de los modelos más recientes utilizan aislantes térmicos en el exterior de los tubos de escape debido a que alcanzan temperaturas muy altas y las piezas cercanas al tubo de escape se pueden ver afectadas para las altas temperaturas alcanzadas.

Longitud óptima:

Para entender por qué esto debe tomarse en cuenta en el diseño del tubo de escape debe entenderse el proceso de los tiempos de un motor, tome en cuenta que cuando un motor está en funcionamiento desde la alimentación hasta el escape sucede la apertura y cierre de las válvulas.

Un motor de 4 tiempos realiza cuatro etapas, 1) admisión, 2) Compresión, 3) explosión y 4) escape. Una vez suceden los 4 tiempos los gases expulsados se dirigen por el sistema de escape hasta el tubo de escape generando una onda expansiva por todo el sistema en la dirección de salida, sin embargo, por diferencias de presión la onda va de regreso una vez fueron expulsados los gases, creando un efecto de succión.

La longitud del tubo de escape debe estar diseñada de tal manera que esa onda de retorno esté en sincronización con la apertura o cierre de la válvula de escape, para de esa manera no influenciar el proceso propio de los 4 tiempos del motor y, de esa manera restarle eficiencia.

El tubo de escape dentro del sistema de escape

Como fue comentado en aspectos anteriores el tubo de escape forma parte del sistema de escape del vehículo, entre los Componentes que hacen que funcione el sistema de escape están:

Colector de escape:

Recoge gases quemados en la cámara de combustión y los dirige desde el bloque motor hacia el exterior. Son tubos que trabajan a altas temperaturas y si se produce un desajuste o un picado provoca una fuga que hará que los gases del escape se liberen dentro del habitáculo del motor pasando hacia el interior del vehículo.

Silenciador:

Como su propio nombre indica, su función es la de reducir el ruido provocado por el gas de escape. Tiende a oxidarse debido a que en trayectos cortos no alcanza temperatura y se llena de agua, por ello cuando se arranca el coche en frío en la salida del tubo de escape se observa que expulsa agua.

Catalizador:

Uno de los elementos clave en la lucha contra la reducción de la contaminación. Su función es la de transformar sustancias nocivas en elementos no tóxicos. Funciona a alta temperatura, por ello se sitúa cerca del motor.

Sonda lambda:

Mide la concentración de oxígeno presente en el gas de escape. Los datos recopilados son enviados a la centralita del vehículo que variará la gestión de la inyección del combustible al motor para que la mezcla de aire y combustible sea óptima. Si se produce una avería en una sonda lambda o las mediciones no son correctas se considera una falta grave al pasar la ITV.

Filtro de partículas:

Es un elemento que se monta en los vehículos con motor diésel que permite eliminar partículas contaminantes de los gases de escape.

¿Por qué se deterioran los tubos de escape?

Existen varios síntomas para detectar un deterioro en el sistema de escape, a continuación, en el mundo del motor tocamos los más importantes:

Vibraciones:

El escape está sujeto al vehículo mediante unas gomas. Cuando escuchemos vibraciones o golpes que vengan del escape es posible que sea por el deterioro de esa goma.

Sonido grave:

Indica una fisura en alguno de los tramos del escape.

Sonidos en el escape:

Suele ser debido a que uno de los elementos de la línea de escape se ha roto.

Pérdida de potencia:

Indica que el catalizador está fallando, debido generalmente a un bloqueo.

Cuando un tubo de escape tiene una avería sus efectos son muy graves. En primer lugar, porque produce una mayor contaminación ambiental, y en segundo porque se puede producir un desprendimiento de alguno de sus elementos pudiendo causar accidentes. Además, aumentará el consumo de combustible y se producirá una disminución del rendimiento del vehículo.

¿Qué sale del tubo de escape?

El humo aparentemente invisible que sale por el tubo de escape de los vehículos es responsable directo de los efectos del calentamiento global de nuestro planeta, en este sentido analizaremos un poco acerca de él.

Dichos gases se forman en el proceso de combustión al romperse la mezcla de gasolina y oxígeno. Entre los principales derivados se cuentan el dióxido de carbono (CO2), el vapor de agua, el oxígeno, el nitrógeno (N), el monóxido de carbono (CO), los hidrocarburos no quemados (HC), los óxidos de nitrógeno (NOx) y los óxidos de azufre (SOx).

El CO2 es un gas inerte y, en vista de que no reacciona con otros compuestos, permanece en la atmósfera provocando el efecto invernadero. Es un indicador de cómo funciona la máquina ya que, para que la combustión sea eficiente, este gas debe estar entre el 12 y el 17 por ciento del volumen total.

Un alto valor de CO2 indica una alta eficiencia en la combustión de la mezcla, mientras que un valor bajo puede ser indicativo de problemas eléctricos o de un funcionamiento del motor con mezcla rica o pobre. Quien haga el análisis debe comparar las lecturas de CO, O2 y HC para determinar las causas de la baja lectura de CO2.

El vapor de agua (H2O) se genera por la unión del hidrógeno y el oxígeno. Tiene características oxidantes y corrosivas que, al unirse con otros óxidos, forma los ácidos que generan la lluvia ácida. Este gas compone el 25 por ciento de lo que sale por el escape.

El porcentaje de oxígeno en los gases indica la riqueza o la pobreza de la mezcla; el O2 es inversamente proporcional al CO, es decir, una alta lectura de oxígeno (o una baja en CO) significan una mezcla pobre.

En cuanto al CO (monóxido de carbono), se trata de un gas invisible, sin olor, sabor o color que se produce por un mal proceso de combustión, ya sea por variaciones en las proporciones de la mezcla (relación estequiométrica), fallas mecánicas o combustión incompleta.

El CO reacciona con el O3 en la alta atmósfera y forma el CO2, lo cual daña la capa de ozono. Una lectura alta puede ser indicativo de que la mezcla está rica, mientras que una baja, que la mezcla está pobre. Los hidrocarburos no quemados son partículas sobrantes del proceso de combustión que no lograron quemarse.

Técnicamente se clasifican en tres categorías: los THC, o hidrocarburos totales; los NMHC, o hidrocarburos sin componentes con bases de metano, volátiles (VOC), gases reactivos (ROG), o reactivos no volátiles (ROC); y los hidrocarburos sin componentes con base etano (NEHC).

En el análisis de los gases dicho compuesto se mide en partes por millón (ppm) y una lectura por encima de los parámetros indica que puede haber una falla eléctrica en el circuito de encendido o una filtración de aire en el motor, así como problemas en la compresión de la máquina.

En cuanto a los óxidos de nitrógeno (NOx), su volumen en los gases de escape depende de la temperatura de la cámara. A mayor temperatura, mayor será la cantidad de NOx que se formará y su presencia en ambientes húmedos redunda en la lluvia ácida, smog y ozono.

En cualquier motor se forma NOx, especialmente cerca de los electrodos de las bujías, sitio donde la temperatura es más alta (1.370 a 2.500 grados centígrados o 4.200 en la chispa), pero la cantidad se incrementa con el aumento de la relación de compresión o cuando existen daños en el sistema de refrigeración.

La presencia de un alto porcentaje de NOx indica que el motor trabaja a muy altas temperaturas y que está funcionando mal el sistema de recirculación parcial de gases de escape. Por último, los óxidos de azufre (SOx) se generan cuando la gasolina contiene azufre y la temperatura de la cámara es muy alta.

Cuando los SOx se encuentran con ambientes húmedos forman el nocivo ácido sulfúrico, agente corrosivo de la lluvia ácida. En la campaña cívica solo se controlan dos gases (CO y HC), pero pronto se deberían implantar parámetros para los demás productos que salen por el tubo de escape.

Los diferentes colores del humo del tubo de escape

En este último punto de nuestro post hablaremos acerca de los colores de los humos que salen de nuestros tubos de escape, dependiendo de las condiciones dentro de nuestros vehículos los gases pueden tomar colores diferentes, los colores más comunes son:

Azul:

Cuando el humo se torna de color azul posiblemente significa que el motor está quemando aceite en exceso. Se suele producir al encontrarse desgastados los sellos de la guía de las válvulas o los anillos del pistón. Se produce una pérdida de aceite, que pasaría de las piezas que tienen que ser lubricadas a la cámara de combustión, lugar natural donde se quema el combustible.

Ante la aparición de humo azul, es conveniente revisar el nivel de aceite periódicamente y reparar las piezas defectuosas (guía de las válvulas y anillos del pistón).  Otra de las razones por las que puede salir humo azul es la posible señal de un problema en el soplado del turbo, haciéndose recomendable su sustitución o reparación.

Gris:

Los expertos en mecánica anuncian que cuando el humo que sale por el tubo de escape es de color gris, el problema es más difícil de diagnosticar. Al igual que cuando sale humo azul, con la aparición de humo gris el coche puede estar quemando aceite o tener montado un turbocompresor defectuoso. En este caso, las precauciones a seguir son las mismas que cuando sale humo azul.

Además, el humo gris podría significar un atasco o mal funcionamiento del sistema de ventilación positiva del cárter. Sin embargo, cuando la válvula de ventilación positiva del cárter se atasca, la presión puede generar fugas de aceite. Afortunadamente, las válvulas de ventilación positiva del cárter no son caras y el problema puede ser solventado sencillamente por cualquier mecánico.

Blanco:

Si el humo que sale por el tubo de escape es de color blanco, en el caso de que salga en muy pequeñas cantidades y como con forma de hilos delgados, en principio no hay motivo de preocupación, ya que probablemente es el resultado de la acumulación de condensación normal en el interior del sistema de escape. Cuando el vehículo continúa acumulando kilómetros y después de unos minutos de funcionamiento, este fino humo blanco suele desaparecer.

Sin embargo, cuando el hilo de humo blanco es más grueso y denso de lo normal, el problema es más grave, ya que lo que se está quemando es el líquido refrigerante del motor. Esto se puede producir por un grave problema en la junta de la culata, en la culata o una posible grieta en el bloque motor. El arreglo de todas averías suele llevar un gran desembolso económico.

Negro:

Cuando el humo despedido es de color negro es señal inequívoca de que el motor está quemando mucho combustible. Esto se produce por alguna posible deficiencia en el filtro de aire del motor, sensores de la inyección, inyectores y regulador de presión de combustible.

El humo negro es generalmente la forma más fácil de diagnosticar un problema. Hágalo rápidamente porque tanto la salud de su coche como su propia situación económica lo agradecerán, ya que su vehículo dejará de gastar más cantidad del combustible estrictamente necesario.

Podemos decir que del proceso de contaminación ambiental mundial el tubo de escape es un elemento muy importante para combatirla, el creciente parque automotor mundial insta a los diseñadores y ambientalistas a poner mayor presión en los avances tecnológicos que permitan una disminución constante de los índices de contaminación ambiental. Los vehículos en general han tenido evoluciones en pro de este problema que se ha tomado en legislación desde los años 90 en adelante. Ahora, ¿Qué nos espera con respecto a los avances de los tubos de escape?, sólo el tiempo nos lo dirá.

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