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Conozca el Sistema de Escape

Mensaje  LTD II el Vie Mar 02, 2012 6:34 pm

Componentes y diseño del sistema de escape
EL COLECTOR/MÚLTIPLE DEL ESCAPE


Fabricados típicamente con tubos de hierro fundido o soldados, los colectores del escape, que están conectados al motor en los puertos de escape con conectores de pestaña, están diseñados para recolectar los gases de escape procedentes de cada cilindro.

A continuación, estos gases son canalizados hacia una salida común, que conecta al siguiente tubo o componente del sistema de escape. Los colectores pueden tener conexiones adicionales para los componentes de control de emisiones.
TIPOS DE TUBO DEL SISTEMA DE ESCAPE

El tubo de escape transporta los gases y el vapor recolectados del múltiple o colector del escape a otro componente ubicado corriente abajo en el sistema de escape.
El tubo en "Y" es un tubo de escape que conecta ambos colectores del escape de un motor en "V" para formar un sistema de escape único. También se puede usar para dividir un sistema de escape único en un sistema de escape doble.
El tubo en "H" consiste en un tubo de escape a la derecha y a la izquierda, sujeto a un colector o un convertidor catalítico y conectado por un tubo de equilibrio para formar un componente del sistema de escape doble.
Los tubos de equilibrio se utilizan en muchos sistemas de escape dobles para fusionar los pulsos sonoros de las fuentes de ruido de la derecha y de la izquierda. Esto ayuda a reducir los sonidos molestos del escape, iguala la vida del silenciador y del tubo de escape final, y puede ayudar a mejorar la salida de par de torsión de gama intermedia del motor.
Un tubo de "cruce" conecta un colector del escape al otro, creando así el comienzo de un sistema de escape único que combina múltiples salidas de escape en una sola salida.

El tubo intermedio conecta el tubo de escape con el silenciador o el resonador, lo que esté primero en el sistema. Su propósito es llevar los gases al silenciador para silenciarlos o al resonador para silenciarlos adicionalmente. No todos los automóviles tienen tubos intermedios. Este componente también se puede denominar tubo extensor o tubo conector.
El tubo de escape final completa la tarea de diseño de un sistema de escape, dirigiendo los gases de escape al exterior del vehículo hasta un punto en que no pueden entrar en el compartimiento de pasajeros. Un tubo de escape final dividido se puede conocer también como un tubo de escape final delantero y un tubo de escape final trasero. Generalmente, un tubo de escape final mide más de un pie de longitud. El tubo de escape final es el último "tubo de escape" del sistema de escape.exh101_tailPipe.gif
exh101_tailSpout.gifLa boca de salida cumple el mismo propósito en el tubo de escape final, excepto que tiene una longitud más corta, generalmente un pie o menos. Este componente se encuentra más a menudo en vehículos con silenciadores montados en la parte de atrás.

EL SILENCIADOR

El silenciador es la fuente principal de silenciamiento de los ruidos de los gases de escape. Es una combinación de cámaras de afinado, formadas por particiones y tubos ventilados y sólidos. Está diseñado para confinar, absorber y disipar de manera efectiva los pulsos de ruido, a la vez que mueve los gases y el vapor de escape suavemente a través y finalmente al exterior por el tubo de escape final. Un entramado de roca (mineral), lana, almohadilla de fibra o fibra de vidrio colocado en las cavidades del silenciador sirve para absorber y eliminar adicionalmente los sonidos del escape no deseados.

exh101_muffler.gifLa ubicación de un silenciador varía considerablemente según el modelo del vehículo, pero la mayoría de los silenciadores están ubicados hacia la parte trasera del vehículo. El diseño interno del silenciador está determinado por los "ruidos" que es necesario controlar. El silenciador puede adoptar muchas formas, desde redondo hasta oval y hasta estampado a medida.

Para desempeñar su función correctamente, un silenciador debe estar diseñado específicamente, tanto en el interior como en el exterior. El interior del silenciador debe promover el rendimiento del motor y el control de su sonido, mientras que el exterior del silenciador debe ajustarse a una marca, modelo y año de vehículo específicos. Además, tanto el interior como el exterior del silenciador deben ser capaces de resistir los efectos de la corrosión.

Mientras el motor de un vehículo está en marcha, quema aproximadamente entre 1,200 y 15,000 "cargas" de aire y gasolina por minuto. Cada vez que se quema una carga de aire y gasolina, el motor expulsa los gases residuales al sistema de escape en forma de gas a alta presión. Las ondas sonoras creadas por el gas a alta presión son muy potentes. Para controlar el nivel de sonido de un motor en marcha, se debe reducir la potencia de estas ondas sonoras.

El silenciador es responsable de confinar y controlar la fuerza y el ruido creados por un motor en marcha. Para hacer esto, el silenciador debe reducir efectivamente las pulsaciones de los gases de escape, a la vez que aún permita que el gas lo atraviese libremente y evite la contrapresión excesiva. La contrapresión actúa como un freno contra el motor, reduciendo la potencia y el rendimiento.
El interior de un silenciador

Internamente, un silenciador es una combinación de cámaras, particiones, tubos apersianados y tubos sólidos. Juntos, estos componentes están equilibrados para atenuar la energía sonora mientras que los gases se mueven eficientemente a través del silenciador.

El número y la disposición de los tubos y las particiones que se utilizan en un silenciador depende de las frecuencias de sonido producidas por el motor. Algunas cámaras ubicadas en el interior del silenciador no tienen ninguna salida. Son resonadores de Hemholtz que reducen las frecuencias sonoras bajas al proporcionar un cojín para las ondas sonoras. Las cámaras más pequeñas o latas constrictoras cancelan las ondas sonoras de alta frecuencia al canalizar el gas de escape a través de sus aberturas acústicas hacia cámaras más grandes.

La estructura interna de un silenciador varía entre diferentes vehículos debido a que un silenciador se puede "afinar" para un motor, con el fin de proporcionar la atenuación de sonido más efectiva a la vez que se mantiene el rendimiento. La adaptación de un silenciador a una aplicación de un vehículo individual puede requerir 30 pulgadas o más de longitud de afinado. Si en el vehículo sólo hay espacio para 10 pulgadas de silenciador, entonces este tubo se debe dividir en tres tubos de 10 pulgadas, lo cual produce un encaminamiento triflujo. Un punto que hay que señalar es que cuanto más se fuerza a los gases de escape a girar y seguir curvas, mayor es la contrapresión creada en el silenciador. Por lo tanto, el diseño interno del silenciador es de importancia crucial.
El exterior del silenciador

Externamente, un silenciador debe adaptarse físicamente a la restricción de espacio de la carrocería inferior del vehículo. El tamaño total y la forma general del silenciador están determinados por el tamaño y la forma del espacio disponible. El diseño y la colocación física de manera apropiada son importantes debido a los motivos siguientes:

Proporcionan el espacio libre adecuado respecto a la carrocería inferior del vehículo.
Evitan el calentamiento excesivo de los paneles del piso.
Aseguran una instalación sin problemas.
Aseguran una sujeción apropiada para evitar fugas peligrosas.
Eliminan los montajes de colgador deformados.

Construcción de un silenciador

Los silenciadores deben ser lo suficientemente robustos como para resistir las vibraciones pulsantes de un motor de alta potencia, así como los golpes más fuertes causados por la carretera y el peor enemigo de todos, la corrosión. Algunas de las causas principales de la falla prematura de un silenciador son las siguientes:

Rotura causada por contraexplosiones
Corrosión interna causada por la condensación de ácido
Corrosión externa causada por los productos químicos utilizados en las carreteras heladas
Soporte incorrecto de la suspensión que causa fatiga y fractura de los bujes

Para ofrecer protección contra la rotura, las cabezas del silenciador se bloquean por giro en la envoltura para brindar la resistencia más fuerte a las contraexplosiones. La envoltura interior y la cubierta exterior también se instalan con una separación de 180 grados entre ellas con una unión engatillada mecánica. Las cabezas bloqueadas por giro y la unión engatillada de la envoltura también aseguran un ajuste hermético al gas entre la cabeza y la envoltura.
exh101_mufflerConstruction.gif

Por cada galón de gasolina que se quema en el motor, un galón de vapor que contiene ácido pasa al sistema de escape. Estos ácidos corrosivos se condensan y se acumulan en el fondo de la carcasa del silenciador, lo cual hace que los silenciadores se corroan de dentro afuera. Si toda la conducción se hiciera a altas velocidades en autopistas y superautopistas, las piezas internas del silenciador se mantendrían lo suficientemente calientes como para evaporar estos ácidos corrosivos y el interior del silenciador permanecería seco. Pero con la conducción parando y avanzando, el silenciador no se calienta lo suficiente en el interior como para evitar que estos ácidos se condensen y comiencen la corrosión. Los silenciadores tienen varias características anticorrosión para combatir este problema. Estas características incluyen:

Tubos apersianados: Estos tubos proporcionan un mejor flujo de gas para mantener una temperatura interna más uniforme. Al evitar los puntos fríos en el interior del silenciador, la mayor parte de la condensación de ácido se puede evitar.
Sistema de drenaje interno: Un sistema de drenaje interno completo evita que se acumulen ácidos entre las particiones o en las cabezas del silenciador.
Bujes del silenciador: Los golpes y las vibraciones que la carretera produce pueden causar una rotura prematura del silenciador. Los bujes del silenciador se extienden desde la cabeza al interior de la primera partición interna y a través de ésta. Este contacto de puente de dos puntos brinda una mayor resistencia estructural. Esto se conoce como "construcción de puente" y es un buen ejemplo del esfuerzo que se pone en diseñar un silenciador de alta calidad.
Particiones soldadas por puntos: La soldadura por puntos se utiliza para sujetar las particiones a la envoltura del silenciador. Este proceso proporciona más resistencia y rigidez que otros métodos de sujeción. Se utilizan particiones adicionales cuando se requiere resistencia adicional.
Tubos internos unidos mecánicamente: Para asegurar una duración más prolongada, los tubos internos se unen mecánicamente a la partición para permitir la expansión y contracción con flotación libre durante los cambios de temperatura. Este diseño especial elimina la rotura de las soldaduras por puntos y la distorsión de las piezas o los problemas subsiguientes de ruidos debidos a piezas sueltas.

EL RESONADOR

exh101_resonator.gifEl resonador es un segundo elemento silenciador que se utiliza en algunos vehículos que tienen limitaciones de espacio en la carrocería inferior. Cuando un silenciador que deba eliminar el ruido del escape sea demasiado grande como para caber debajo del vehículo, se utilizarán dos elementos silenciadores más pequeños. El resonador sirve para eliminar toda sonoridad o aspereza que no sea controlada adecuadamente por el silenciador de tamaño pequeño.
EL CONVERTIDOR CATALÍTICO

Desde la década de 1950, los fabricantes de automóviles han estado intentando reducir la cantidad de contaminantes químicos producidos por los motores de combustión interna. No fue sino hasta mediados de la década de 1960 que se instalaron por primera vez dispositivos de control de emisiones en los automóviles de pasajeros. Al comenzar la década de 1970, los automóviles fueron modificados continuamente para que satisficieran los límites federales de niveles de emisiones que eran cada vez más rigurosos.

En los primeros años de los sistemas de control de emisiones, los fabricantes de automóviles concentraron sus esfuerzos en las modificaciones diseñadas para producir un automóvil que funcionara más limpiamente. Por desgracia, la mayoría de estas modificaciones produjeron una reducción de la potencia de los vehículos, una disminución de la eficiencia de combustible y un deterioro general de las características de maniobrabilidad de los motores.

Debido al hecho de que los primeros dispositivos de control de emisiones hacían que los automóviles funcionaran más limpiamente a costa de todo lo demás, la mayoría de los conductores norteamericanos desarrolló una actitud muy hostil hacia dichos dispositivos. De hecho, a mediados de los años setenta, la desactivación y/o remoción de los dispositivos de control de emisiones se volvió un negocio muy extenso y rentable; la gente creía que si podía eliminar los componentes de control de emisiones de su vehículo, el automóvil funcionaría más como sus vehículos anteriores. Sin embargo, la verdad es que la mayoría de los automóviles funcionan peor cuando se desactivan los dispositivos de control de emisiones.

En medio de este clima desfavorable se introdujeron los convertidores catalíticos. Como es probable que usted imagine, la introducción de un nuevo dispositivo de control de emisiones que requería el uso de nuevo (y en aquel momento más caro) combustible "sin plomo" no hizo gran cosa para ayudar a la popularidad del convertidor. Y además de eso, muchos grupos de defensa del consumidor afirmaban que los convertidores catalíticos representaban un peligro de incendio. Otras personas se quejaban de que los convertidores reducían considerablemente la eficiencia de combustible del automóvil.

El desafortunado giro en toda esta historia es que, en casi todos los casos, las aseveraciones negativas contra los convertidores no eran realmente ciertas. El hecho es que los convertidores catalíticos eran, y siguen siendo, el mejor medio para reducir la cantidad de contaminantes producidos por el motor. El convertidor catalítico reduce la cantidad de contaminantes producidos por el motor más eficientemente que cualquier otro dispositivo de control de emisiones instalado en el automóvil, y lo hace de una manera que apenas afecta a la potencia del motor o la economía de combustible del vehículo. De ninguna manera perjudican los convertidores a las características de maniobrabilidad deseables en un automóvil, y la preocupación en cuanto a que los convertidores catalíticos causen incendios nunca llegó a ser un problema.

Al principio de la historia de los convertidores, la gente reemplazaba sus convertidores catalíticos con "tubos de prueba" sustitutos. Ha sido sólo en los últimos años que los programas de pruebas de emisiones, las inspecciones obligatorias de los vehículos y la aplicación estricta por la EPA de las leyes contra la "manipulación indebida" han reducido la remoción de los convertidores catalíticos y otro equipo de control de emisiones. De hecho, hoy en día muchos convertidores catalíticos del mercado de accesorios se venden a consumidores que en algún momento retiraron su convertidor de equipo original.
Tipos de convertidores

Como puede que usted ya sepa, hay tres tipos de convertidores catalíticos:

convertidores de oxidación
convertidores de tres vías
convertidores de tres vías más oxidación

Cada uno de estos convertidores distintos surgió principalmente porque la EPA endureció los reglamentos que gobiernan la cantidad de contaminantes que salen de un automóvil nuevo. A continuación se presenta un breve resumen de los eventos que dieron lugar a que surgieran estos tres tipos distintos de convertidores catalíticos.

En 1975, la EPA endureció los reglamentos que limitan la cantidad de monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos (HC) producida por los automóviles nuevos. Como resultado de los reglamentos más estrictos, los fabricantes de automóviles comenzaron a utilizar convertidores catalíticos de oxidación.

En 1979, la EPA endureció los reglamentos que limitan la cantidad de óxidos de nitrógeno (NOx) producida por los automóviles nuevos. Como resultado de los reglamentos más estrictos, los fabricantes de automóviles comenzaron a utilizar convertidores de tres vías más oxidación en la mayoría de aplicaciones.

En 1981, la EPA endureció de nuevo los reglamentos que limitan la cantidad de óxidos de nitrógeno (NOx) producida por los automóviles nuevos. Como resultado de los reglamentos más estrictos, los fabricantes de automóviles comenzaron a utilizar el convertidor catalítico de reducción o de tres vías en muchas aplicaciones.
¿Cómo funcionan los convertidores?

exh101_howConvertersWork.gifDentro de la envoltura de acero inoxidable de un convertidor catalítico del mercado de accesorios hay un substrato que está recubierto con una combinación de platino, paladio y a veces rodio. Estas tres sustancias químicas se denominan frecuentemente metales preciosos o nobles. Típicamente, los convertidores de oxidación están cargados con platino y paladio. Los convertidores de tres vías y de tres vías “más” están cargados con platino, paladio y rodio.

Los gases de escape calientes que contienen el "trió terrible" (monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos) de contaminantes recorren el tubo de escape y finalmente entran en contacto con los metales preciosos que están cargados en el substrato del convertidor. El substrato es un panal de pequeños pasadizos de cerámica.

Cuando el gas de escape entra en contacto con los metales preciosos, o catalizador, se produce una reacción química que debilita los enlaces de los contaminantes químicos y permite que éstos se conviertan fácilmente en subproductos de la combustión más deseables, los cuales se discutieron anteriormente.

Los convertidores de dos vías se introdujeron por primera vez a mediados de la década de 1970. Estos convertidores oxidan solamente las emisiones de hidrocarburos y monóxido de carbono. El nombre “de dos vías” se refiere al número de contaminantes afectados por el convertidor.
exh101_2wayConverters.gif

exh101_exhaustFlow.gifEn este diseño, los gases de escape son dirigidos para que fluyan sobre el substrato, donde entran en contacto con el catalizador. Los gases de escape aumentan de temperatura y siguen oxidándose. Las emisiones de hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO) son convertidas en agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2) antes

Debido al intenso calor creado por este proceso, los gases de escape que salen del convertidor deberían estar más calientes que los gases que entran en el convertidor. Esto también explica por qué se requieren protectores contra calor en la mayoría de unidades.

Los convertidores de tres vías sin aire se introdujeron a finales de la década de 1970. Estos convertidores reducen las emisiones de NOx y además oxidan los hidrocarburos a monóxido de carbono.
exh101_3wayConverter_woAir.gif

En el interior, un convertidor de tres vías sin aire tiene el mismo aspecto que un convertidor de dos vías. Pero el substrato del convertidor de tres vías sin aire está recubierto con rodio y paladio.

Si los gases de escape de un motor tienen un alto contenido de hidrocarburos y monóxido de carbono, una bomba y un tubo de aire introducen oxígeno adicional directamente en el convertidor. Dentro de un convertidor de tres vías con inyección de aire hay dos substratos.
exh101_3wayConverter_wAir.gif

exh101_exhaustFlowAir.gifLa cámara delantera está recubierta con rodio y paladio. El rodio reduce las emisiones de NOx a simples nitrógeno (N2) y oxígeno (O2). Este proceso es más eficaz cuando hay poco oxígeno presente. Por eso este substrato está ubicado corriente arriba de la entrada del tubo de aire.

Un segundo substrato de paladio y platino está ubicado corriente abajo de la entrada de aire, para que el aumento de oxígeno mejore la oxidación de los hidrocarburos y del monóxido de carbono.
Falla de los convertidores

Independientemente de cuál sea el diseño del convertidor, todos los convertidores fallan por los mismos motivos. Como no hay piezas móviles en un convertidor, la causa más común de su falla es la contaminación.

Cuando en un convertidor se introducen mezclas de combustible excesivamente ricas o combustible crudo, su temperatura puede aumentar hasta el punto en que su substrato simplemente se derretirá. Esto se conoce como falla térmica. La falla térmica desactivará el catalizador y, en casos extremos, bloqueará el flujo de gases de escape a través de la unidad.

El choque térmico ocurre cuando un convertidor sobrecalentado recibe combustible crudo frío o entra en contacto con los elementos del invierno. El substrato de cerámica se enfría demasiado rápidamente y se contrae desigualmente. Comienza a agrietarse y a romperse. La vibración normal del sistema de escape hará que se desintegre aún más.

La silicona que se haya filtrado al escape, procedente del anticongelante o de los sellantes, recubrirá similarmente los catalizadores, con el mismo resultado: un convertidor catalítico que no funciona. En los casos de contaminación o derretimiento grave, será necesario reemplazar el convertidor.

Obviamente, las restricciones de cualquier clase, dentro del convertidor o en cualquier otra parte del sistema de escape, también afectarán al rendimiento del convertidor. Si la restricción es interna, será necesario reemplazar el convertidor.

Los convertidores también pueden sufrir daños físicos. Las perforaciones en el cuerpo o las grietas en las soldaduras crean fugas que requieren el reemplazo del convertidor.
ACCESORIOS DEL SISTEMA DE ESCAPE

exh101_clamp.gif Las abrazaderas son dispositivos que se utilizan para proporcionar conexiones herméticas a los gases y sin fugas en los puntos en los que dos tubos o un silenciador y un tubo están unidos entre sí. También se utilizan para sujetar los colgadores del sistema de escape.
exh101_bracket.gif Un soporte es cualquier saliente metálico que se sujeta a un componente del sistema de escape y que se utiliza para suspender o reforzar el sistema de escape. Generalmente, estos dispositivos están hechos de estampaciones metálicas y a menudo usan componentes de goma en su estructura para brindar control de la vibración.

exh101_gasket.gif Los empaques son dispositivos de sellado que se colocan entre dos piezas de ese sistema de escape. El empaque adopta la forma y el tamaño de las superficies coincidentes y a menudo tiene elementos de sujeción por medio de múltiples agujeros para pernos, perforados a través del material. Estos dispositivos pueden estar hechos con materiales compuestos, metal perfilado o una combinación de los dos materiales.
exh101_flange.gif Una pestaña es una pieza fundida o perfilada que se utiliza para unir dos unidades de un sistema de escape entre sí o al colector del escape. Una pestaña puede ser una pieza suelta, "atrapada" en un tubo o soldada al final de un tubo.

exh101_hangers.gif Un colgador es un dispositivo con cualidades de flexibilidad y aislamiento de ruidos que se utiliza para sujetar los componentes del sistema de escape a la carrocería inferior del vehículo.

TUBOS CON ESPACIO DE AIRE

Un tubo con espacio de aire es en realidad un tubo dentro de otro tubo. Hay un espacio de aire de 1/16 de pulgada a 3/16 de pulgada entre el tubo interior y el tubo exterior, que actúa como aislador y elimina la necesidad de un protector contra calor separado. Los tubos con espacio de aire tienen ventajas diferenciadas sobre los tubos con protectores contra calor. Estas ventajas incluyen:

Protección contra el calor alrededor de todo el tubo en lugar de sólo en el lado que tiene el protector.
Ausencia de preocupación de que los protectores se corroan.
Más fáciles de manejar, ya que no hay protectores que se puedan doblar o desagarrar durante el transporte.
Más espacio libre para la instalación.

Algunas aplicaciones utilizan un espacio de aire en los sistemas de escape de equipo original (EO). Esto se debe a que el espacio de aire es en realidad parte del paquete de control de emisiones. El aumento de aislamiento ofrecido por el espacio de aire mantiene una temperatura más alta hacia el convertidor catalítico. Esto permite alcanzar más rápidamente la temperatura de activación del catalizador en el arranque y un funcionamiento más eficiente después de eso.
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