TUBOS DE ESCAPES EN F1: PARTE 1

 Bueno amigos, quiero mostraros una de las partes del coche que a pesar de la importancia que tienen poco se sabe de ellos, bueno mejor dicho, solo conocemos  una parte, generalmente su salida. Tras la innovación del soplado en el difusor  esta pieza ha ganado mucha importancia para todos los ingenieros que andan dándole vueltas a sus brillantes cabezas para conseguir con ellos los  mayores beneficios posibles en un apartado que anteriormente, tenía poca importancia  y no era una función específica de ellos. Así, conseguir carga aerodinámica a través de los gases procedentes de la combustión del motor abrió una nueva puerta para la ingeniería.  Bueno, como todos habréis imaginado, estoy hablando de los tubos de escapes o mejor dicho, los colectores de escapes.

Cada fin de semana hablamos sobre ellos. Comentar que  tal equipo ha cambiado sus escapes es muy común últimamente en la F1 ya que configurarlos genera tal o cuál mejoras en los coches pero éste es un apartado menor dentro de la importancia que tiene y como dije, hace poco casi ni se explotaba.

¿Qué función principal tienen?

Bien, sirve para evacuar los gases de combustión desde el motor hacia el exterior del vehículo. En los coches de calle también tiene doble finalidad, la de reducir el ruido y el filtrar los gases para producir menor contaminación, pero en la F1 donde el ruido importa poco y la contaminación menos podríais pensar que no serían necesario.

Efectivamente, si no tuvieran escapes o los dejáramos demasiado libre, el motor aumenta su potencia (el cilindro se vacía mejor después de cada explosión), pero, pero, pero se calienta y consume  aún más, eso sí, cualquiera se pondría cerca de uno, sordo seguro. Por tanto, este elemento tiene más funciones de las que parece.

Para encaminar el artículo vamos a diferenciar el tubo del colector de escape. Mientras el tubo es un único conducto en los motores de varios cilindros, el colector de escape tiene la finalidad de reunir los gases que salen de todos ellos tras la combustión en un solo conducto.

¿Por qué se hace esto? Por cuestión de ahorro de espacio y de peso importante.

Imaginaros un motor de F1. Los actuales cuentan con ocho cilindros donde se genera la energía necesaria para mover el coche mediante la combustión. Para evacuar los gases tras la combustión necesitaría  el mismo número de tubos que de cilindros. Si se unifican los beneficios son importantes.

Viendo esto, es fácil deducir que los distintos cilindros siempre se encuentran más o menos enlazados entre sí y esto hace necesario que se respete la exigencia de la igualdad de funcionamiento entre los diversos cilindros, es decir, deberán cuidarse las dimensiones de todos los conductos que componen el colector para que éste sea, por decirlo así, simétrico respecto a todos los cilindros, comprobando, por ejemplo, que se tiene la igualdad de sus longitudes.
¿Cómo se diseñan?
Se podría decir que la fabricación de un colector de escape para la F1 es una obra de ingeniería que permite ofrecer recorridos de igual longitud a cada salida de escape (cilindro) antes de alcanzar la salida de escapes, con ello se evitan reverberaciones o contrapresiones que afectarían al rendimiento. Por tanto si se quiere exprimir al máximo el rendimiento del motor se requiere de un profundo conocimiento de las leyes de la acústica para poder conseguirlo, de no ser así los resultados no serán óptimos.  Es conveniente reducir al mínimo la resistencia que encuentra el flujo gaseoso, utilizando conductos de diámetro suficientemente grande, evitando las variaciones bruscas de sección o la disposición demasiado sinuosa de los conductos. El colector se encuentra habitualmente alojado en un lateral del motor y está unido a él a través de la culata y de una junta especial que garantiza una perfecta integración. En este punto hay que hacer dos distinciones dependiendo del tipo de motor utilizado por el coche ya que hay diferencias importantes.
Por un lado tenemos los motores atmosféricos. En ellos la salida de los gases se expulsa por el escape al exterior sin más, es decir directamente.
Por otro lado, los motores turbo. En este caso los gases se utilizan para girar una turbina que indirectamente comprime el aire que alimenta el motor aumentando su potencia mediante la turbina de admisión. Por tanto en  el colector también se encuentra alojado el sistema. Para saber más sobre el sistema turbo os dejo el enlace que lo facilita.

http://angelesenlacabeza.blogspot.com.es/2013/01/como-funciona-el-motor-turbo-de-f1.html
Como comenté antes, para quienes preparan los coches, el diseño y geometría del colector de escape es muy importante, ya que se logra mejorar la respuesta y el rendimiento del motor.  Pero ¿Cómo?
 Bien, para eso hay que explicar un concepto muy importante en física, tanto acústica como mecánica y es la resonancia.
¿Qué es la Resonancia?

Para entender qué es la resonancia os pondré el ejemplo de un niño disfrutando en un columpio. Como todos sabréis, una vez que el niño está balanceándose, si queremos que siga columpiándose sin parar lo que hacemos es que cada vez que el niño llegue a nuestra posición, que normalmente estamos situados en el punto más alto de la oscilación, donde el niño se detiene e inicia de nuevo el descenso, ejercemos una fuerza, un empujón  para que siga el movimiento. Lo que estamos haciendo es que de forma sincrónica con la oscilación, introducimos energía en el movimiento. Esto es la resonancia, en este caso mecánica pero resonancia al fin y al cabo.  Con este gesto lo que estamos actuando en resonancia con el columpio, lo hacemos es introducir energía al movimiento en la misma dirección y con la misma frecuencia de la oscilación para mantenerlo, aumentarlo o incluso detenerlo si el impulso dado es menor que el necesario para mantenerlo.

 Bueno, los tubos de escapes y los colectores como si de una trompeta se tratara tienen una vibración propia o lo que es llamado también la “nota” del tubo de escape y como si de un instrumento musical tiene que ser afinado para sonar bien. Vamos al grano.

Los gases que circulan por el escape vibrar a una frecuencia específica en función de la velocidad del motor. En cada explosión en el pistón y gracias a la apertura y el cierre de las  válvulas, dentro del tubo se genera una columna pulsante de gases de escape, con picos y valles periódicos de presión. Así pues, se descubrió que  si un motor gira a unas revoluciones (RPM) de manera que la frecuencia de explosiones coincide con la frecuencia natural del sistema de escape, es decir con su "nota" se crea una resonancia dentro de la tubería. Pero ¿qué se consigue con estos?  Facilitar la salida de los gases a la atmósfera ya que a través de tubo viajan tanto las ondas de sonido como los gases de escape. Con la resonancia los diseñadores aprovechan el aumento de la amplitud de las ondas sonoras para “empujan” hacia el exterior a los gases y por tanto mejora el rendimiento pero no solo mejora la salida al exterior. Lo vemos.
El objetivo del diseñador del motor es crear una presión negativa en la válvula de escape durante el período de solapamiento cuando ambas válvulas de escape y de admisión están abiertas. De forma sencilla, se pretende que la zona de valle de la onda,  donde se genera el vacío, coincida en posición y frecuencia con la salida de los gases del pistón para que los gases sean absorbidos por el escape salgan más fácilmente y de forma más rápida.
Pero esto es una utopía ya que los motores no van a unas RPM constantes y por tanto el rendimiento del escape variará dependiendo de las explosiones.  La forma de solucionarlos es mediante el acoplamiento de dos o más de los cilindros juntos a las tuberías primarias de escape ya que la interacción entre los impulsos creados por cada cilindro  modifica las características de presión en cualquier RPM dadas.
Por tanto la geometría de escape, de la admisión, la sincronización de válvulas, la temperatura de los gases de escape, su velocidad de salida y las RPM que afectan a las características del sistema.
Bueno amigos aquí lo dejo, el próximo entraremos a analizar materiales, formas y algunos elementos de gran interés, pero eso será otra historia.