En la ingeniería automotriz , un colector de escape recoge los gases de escape de varios cilindros en un solo tubo. La palabra colector proviene del inglés antiguo manigfeald (del anglosajón manig [muchos] y feald [plegar]) y se refiere al plegado de múltiples entradas y salidas (por el contrario, un colector de entrada o admisión suministra aire al cilindros).
Los colectores de escape son generalmente unidades simples de hierro fundido o acero inoxidable que recolectan los gases de escape del motor de múltiples cilindros y los entregan al tubo de escape. Para muchos motores, existen colectores de escape tubulares de posventa conocidos como headers en inglés americano , como colectores extractores en inglés británico y australiano , [1] y simplemente como "tubular manifolds" en inglés británico . [ cita necesaria ] Estos consisten en tubos de escape individuales para cada cilindro, que luego generalmente convergen en un tubo llamado colector. Los encabezados que no tienen recopiladores se denominan encabezados zoomie .
Los tipos más comunes de cabezales del mercado de accesorios 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 recubiertas con un acabado tipo cerámico (a veces tanto por dentro como por fuera), pintadas con un acabado resistente al calor o desnudas. Hay cabezales cromados disponibles, pero tienden a volverse azules después del uso. El acero inoxidable pulido también tendrá color (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 no original. Esto disminuye la cantidad de calor que se emite al compartimento del motor, lo que reduce la temperatura del colector de admisión. Existen algunos tipos de aislamiento térmico , pero tres son particularmente comunes:
El objetivo de los cabezales de escape de alto 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 mediante las leyes de los gases , en particular la ley de los gases ideales y la ley de los gases combinados .
Cuando un motor inicia su carrera de escape, el pistón sube por el orificio del cilindro, disminuyendo el volumen total de la cámara. Cuando se abre la válvula de escape, los gases de escape de alta presión escapan hacia el colector o colector de escape, creando un "pulso de escape" que comprende tres partes principales:
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 de escape están parcialmente abiertas. El efecto se conoce como "eliminación de basura". La longitud, el área de la sección transversal y la forma de los puertos de escape y las tuberías influyen en el grado del efecto de evacuación y en el rango de velocidad del motor en el que se produce la evacuación.
La magnitud del efecto de eliminación de gases de escape es una función directa de la velocidad de los componentes de alta y media presión del pulso de escape. Los cabezales de rendimiento trabajan 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 aún se encuentra en el sistema de escape. La cola de presión más baja de un pulso de escape sirve entonces para crear una mayor diferencia de presión 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 la velocidad, disminuyendo el efecto de eliminación. Los tubos que son demasiado pequeños crearán una resistencia al flujo de escape que el motor debe trabajar para expulsar los gases de escape de la cámara, reduciendo la potencia y dejando el escape en la cámara para diluir la carga de admisión entrante. Dado que los motores producen más gases de escape a velocidades más altas, los cabezales se ajustan a un rango de velocidad del motor particular según la aplicación prevista. Normalmente, los tubos primarios anchos ofrecen las mejores ganancias de 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, generalmente mediante sintonización de resonancia, se puede programar el pulso de rarefacción para que coincida con el momento exacto en que se produce la superposición de las válvulas. Normalmente, los tubos primarios largos resuenan a una velocidad del motor más baja que los tubos primarios cortos.
Algunos colectores de escape modernos están disponibles con revestimiento cerámico. Este revestimiento sirve para impedir la oxidación y reducir la cantidad de calor irradiado hacia el compartimento del motor. La reducción de calor ayudará a evitar la absorción de calor en el colector de admisión, lo que disminuirá la temperatura del aire que ingresa al motor.
Los motores Crossplane V8 tienen un banco izquierdo y derecho, cada uno con 4 cilindros. Cuando el motor está en marcha, los pistones disparan según 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 al llegar a un cruce el fluido tomará el camino de menor resistencia y una parte se sangrará, bajando así ligeramente la presión. . Sin un tubo XH, el flujo de escape sería entrecortado o inconsistente y el motor no funcionaría con su máxima eficiencia. El doble pulso de escape causaría que parte del siguiente pulso de escape en ese banco no salga completamente de ese cilindro y causaría una detonación (debido a una relación aire-combustible pobre (AFR)) o una falla de encendido debido a un AFR rico, dependiendo sobre cuánto del doble pulso quedó y cuál fue la mezcla de ese pulso.
La comprensión actual de los sistemas de escape y la dinámica de fluidos ha dado lugar a una serie de mejoras mecánicas. Una de esas mejoras se puede ver en la válvula de potencia máxima del 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 los cuatro tubos primarios 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.