TEORIA SOBRE LOS TUBOS DE ESCAPE EN MOTORES DE 2T

Todoshemos pensado como mejorar las prestaciones de nuestra moto sobre todo cuandohemos podido estrujar sus caballos “originales” al máximo y parece que se nosquedan siempre cortos. Quien no ha pensado en poner un carburador más grande –aunque solo consigamos gastar más gasolina-, en aumentar la compresión – aunquenos arriesguemos a una rotura-, en subir la cilindrada –aunque tenga problemaslegales-, en quitar el silenciador –aunque no ande más y la ciudadanía seacuerde de nuestros ancestros-, ...

Dentrode un motor se producen una serie de fenómenos físicos que pueden ser alteradosde manera importante con cualquier cambio en alguno de sus elementos. Tal vezel tubo de escape en los motores de dos tiempos sea el gran desconocido en sufuncionamiento puesto que para muchos el ruido va directamente relacionado conla potencia y para otros, la única misión del escape es llevar los humos lo masatrás posible. Nada mas lejos de la realidad, el escape no es un elementoque funciona en base a la cantidad de gases expulsados por el motor, sino quesu funcionamiento esta relacionado con una serie de variaciones de presiónprovocados por las ondas sonoras producidas por la explosión del motor.

Hubotiempos que se pensaba que cualquier traba puesta en el camino de los gases delescape –silenciadores, estrechamientos- restaría potencia al motor y seutilizaron escapes con igual diámetro a lo largo de todo el recorrido. Mastarde llegaría un invento ingles: los megáfonos, que serian montados tanto enmotos de 2T como en 4T, estos escapes iban aumentado su diámetroprogresivamente hasta el final.

Cuandoa principio de los años 50 se prohibió el uso de compresores muchos pensaronque esto supondría el final de las motos de 2T. Como es evidente no acertaron,la desaparición de estos motores si llega será por razones bien distintas. Unossencillos cálculos demuestran que un motor de 2T de la misma cilindrada que un4T y sometido al mismo esfuerzo, le supera de un 20% a un 30% en potenciamáxima. Como ejemplo las actuales “motoGP” casi duplican en cilindrada a las500 cc 2T para poder conseguir unas prestaciones competitivas. Uno de losresponsables de esta situación es el estudio de los fenómenos físicos que se producen dentro de un escape ysu relación con el proceso de carga del motor, precrompresión y llenado delcilindro.

Tengamossiempre presente que el sonido producido no influye notablemente en lapotencia. De hecho Barry Sheene, con Suzuki, fue campeón del mundo con muchaventaja sobre sus competidores, y eso que era la moto mas silenciosa.

Veamoslas partes básicas de un tubarro de escape para altas prestaciones.

Lr: Longitud deresonancia

L1: Longitud delcodo (longitud entre lumbrera de escape y comienzo del cono)

L2: Longitud delcono o difusor.

L3: Longitud de lacámara de expansión.

L4: Longitud “real”del contra cono.

L5: Longitud del“aguijón” o tubo de salida.

Ai: Angulo de conicidaddel cono.

Ae: Angulo decontra cono.

D1,2,3: Diámetros.

FUNCIONANIENTO DE UN ESCAPE

Partamosdel instante en el que el motor se encuentra en estado de compresión máxima, elpistón esta en el punto muerto superior (P.M.S.). Cuando este inicia su descenso(grado de avance de encendido), la chispa de la bujía produce la explosión ylibera energía, gran parte de esta energía se convierte en calor y la otraempuja el pistón hacia abajo.

Ensu descenso el pistón comienza a abrir la lumbrera de escape, en ese momento seproduce una gran onda de presión que recorre la primera parte del escape(codo). Esta onda de presión se mueve a la velocidad del sonido y esta, a suvez, depende de la temperatura de los gases.

Elpistón sigue descendiendo y abre la lumbrera de admisión, y es cuando los gasesfrescos que llegan de la precompresión “conviven” con los ya quemados, esentonces cuando la onda sonora tiene que llegar al cono, donde se produce unadepresión que provoca una “succión” para facilitar la admisión de la mezcla. Elpistón llega a alcanzar el P.M.I.

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Unavez cerradas las lumbreras de carga, cuando el pistón se encuentra en plenasubida para alcanzar el P.M.S., aún permanece abierta la lumbrera de escape.Como consecuencia podrían perderse parte de los gases frescos que ya están enla cámara de explosión. Ahora es cuando tiene que entrar en acción elcontracono, este actúa de manera contraria al cono, es decir, provocando unaonda de presión que vuelve hacia el cilindro y que produce un “taponamiento” enla lumbrera de escape evitando la salida de la mezcla.

Porúltimo el “aguijón” no influye de manera notoria en la potencia del motor, yestá relacionado con la absorción de sonido. Aunque la disminución de sudiámetro pueda provocar sobrecalentamientos.

DESARROLLO TEORICO DE UN TUBO DE ESCAPE

Comohemos visto lo “único” que hay que hacer es ajustar las dimensiones de lasdiferentes partes del escape para que los fenómenos físicos se comporten encada momento como deben de hacerlo.

Recordemosque las ondas de presión se mueven a la velocidad del sonido y la velocidad delsonido en un gas no es constante puesto que se ve afectada por la temperatura.Como ejemplo indicaremos que la velocidad de propagación del sonido en el aire–a 0º C y a una presión de 1 atm- es de 331 m/s, o en el hidrógeno, en lasmismas condiciones, es de 1284 m/s.

Laformula que utilizaremos para conocer la velocidad del sonido (Vs) en función de la temperatura (t) del gasen grados centígrados será:

m/s

Llegadoeste momento deberíamos conocer a que temperatura se mueven los gases en elescape y que esta no es constante a lo largo de todo el recorrido. Latemperatura media de los gases viene determinada principalmente por el tiempoque permanece abierta la lumbrera de escape y por la relación de compresión,será mas elevada cuanto mayor sea la compresión y cuanto mayor sea el tiempo deabertura de la lumbrera.

Parapoder hacer una aproximación teórica partamos de unos datos aproximados y quedarían como resultado que en un motor “tranquilo” tendríamos una temperatura media de 350º-400 ºC, y en unmotor “apretado” esta sería de 550º-600ºC.

Unavez conocido este dato pasaremos a calcular la longitud de resonancia (Lr). Esta distancia es la más importante en al calculo del escape, pueses la mitad del recorrido que tienen que efectuar las ondas sonoras antes deretornar hasta la lumbrera de escape y tiene que coincidir en el momento en elcual la lumbrera de admisión queda tapada, ni antes ni después. Recordamos que Lr es la distancia que hay desde la lumbrera de escape hasta la mitad delcontracono. La podremos hallar mediante la siguiente formula:

mm.

Siendo:

Vr= Velocidad de sonido

Am= Angulo, medido en grados, formado por la biela entre el punto que comienza aabrirse la lumbrera de escape hasta que se cierra la de admisión.

N= Régimen de giro en r.p.m. paraun llenado óptimo.

Elcodo, que es la parte mas próxima al motor, viene delimitado por la superficiede la lumbrera de escape y por la distancia desde la lumbrera hasta el exteriordel motor donde empezaría el tubo de escape propiamente dicho –esta distanciahay que considerarla para compensarla en el codo del escape-. Su longitud total, incluyendo la parte quetrascurre en las paredes del cilindro, seria 3 a 6 veces el diámetro de lalumbrera de escape.

Elcono o difusor tendrá que tener una conicidad de entre 6º y 10º (Ai), dependiendo esto de la respuesta que queramos que tenga el motor. Amayor ángulo menor gama de vueltas utilizable y mayor potencia. Para una motode velocidad seria de entre 8º y 10º la conicidad. Para una de trial estaríamosen el otro extremo para poder tener a nuestra disposición una gama de vueltasutilizable lo mas amplia posible, por lo que el ángulo Ai seria de 6º.

Alcontracono, generalmente, se le dan unos valores de conicidad (Ae) de, aproximadamente, eldoble de la del cono. Cuando el contracono es muy abierto, hace que la curva depotencia decaiga rápidamente después de alcanzado el punto máximo, por lo queun contracono con un ángulo Ae menor obtendríamos una curva de potenciamenos pronunciada.

Entreel cono y contracono estaría la cámara de expansión cuya longitud vendría enfunción de las variables de conicidad y su diámetro se situaría sobre el 10% deLr.

Porultimo el aguijón tendrá que tomar un diámetro que será de 0,5 a 0,6 veces eldiámetro del codo. Su longitud no es muy importante aunque suele ser de 12veces su diámetro. Por lo que un buen silencioso al final del contracono noafectara en gran medida a las prestaciones del motor.

Todoesta teoría sirve para comprender el funcionamiento y la importancia de unescape y como actúa en la respuesta del motor. En la practica el cono comienzamuy próximo a la lumbrera de admisión aumentando progresivamente su conicidad ylo mismo ocurre en el contracono. Separándolos en varios conos y contraconos seevitan turbulencias.

Unaaplicación práctica de esta teoría es la de conocer cual es el régimen dellenado óptimo para nuestra moto. Utilizando la fórmula para hallar la longitudde resonancia podremos saberlo.

r.p.m.

Previamente habremos hallado la temperatura media de los gases ytendremos que medir el ángulo de referencia Am. Siconocemos el ángulo de apertura del escape y el ángulo de avance del escape,simplemente restándolos sabremos el ángulo de referencia. Si no lo conocemostendremos que levantar la culata y con un medidor de ángulos en el eje delcigüeñal hacer la medida necesaria.

Podemoscomprobar en el siguiente diagrama como afecta a un motor de la misma cilindrada,el estudio de la carburación, la distribución y del escape adaptándolos a cadanecesidad. En la curva A se aprecia como la potencia utilizable comienza desdelas 2000 vueltas, asciende suavemente hasta las 5500 y desde ese momento semantiene prácticamente estable hasta las 7200. Tendremos un motor donde no sealcanza gran potencia pero su régimen de utilización es muy amplio. Este seriael diagrama típico de una moto de trial.

Enla otra curva (B) apreciamos como la potencia utilizable comienza a partir dela 8200 rpm, subiendo rápidamente hasta las 10000 vueltas donde alcanza lapotencia máxima, cayendo después de inmediato. Este seria un motor diseñadopara velocidad, donde la potencia se alcanza bruscamente, y donde la gama deutilización del motor es muy estrecha.

Todoesto es pura teoría, pero es la base para poder diseñar un escape. Siempreexisten otras variables y el diseño final no podrá realizarse sin test en pistay banco de pruebas. Esperamos quehaya sido interesante y pueda servir para que el aficionado comprenda mejor laimportancia de un buen sistema de escape.