TUBOS DE ESCAPES EN F1: PARTE 2

Bueno amigos, seguimos con el segundo artículo técnico sobre el maravilloso mundo de los tubos de escapes. Como vimos en el artículo anterior estas piezas tan importantes en el rendimiento general del coche tiene una función más “musical” que mecánica pero sus beneficios son muy importantes dependiendo de que aspectos del motor queremos resaltar.

Vimos que para llevar a cabo en la "medida de lo posible" el escape ideal, hay algunos factores muy diferentes que tienen que ser comparados y calculado. Algunos de estos factores, como son los gases de escape, la geometría de admisión, la sincronización de válvulas, la temperatura del gas de escape, velocidad  son muy importantes para calcular la configuración del escape pero sobre todos ellos destaca las revoluciones por minuto (RPM) ya que un sistema de escape sólo se puede optimizar para unas revoluciones determinadas.
Durante los últimos años hemos visto que esta medida ha reducido su numero para dar más vida útil al motor, pasando de las 19.000 rpm de hace unos años hasta las 15.000 rpm de los motores turbo del 2014 y por tanto las longitudes de los tubos han de cambiar.
Como vimos la frecuencia natural de un tubo es fijado por su longitud. Cuanto más corto el tubo, mayor es la frecuencia. Como RPM del motor han disminuido, la longitud de los tubos de escape para una configuración de motor en concreto se ha alargado. Pero hay otro aspecto importante que los ingenieros tienen que tener en cuenta para diseñarlos y es qué parte de las rpm del motor quieres potenciar y me explico. Imaginaros el  motor Mercedes. Está máquina es en la actualidad la que mejores prestaciones da en altas revoluciones. Si yo tengo un coche que quiere mucha potencia a altas velocidades para poder adelantar,  yo configuraré los escapes para que a máxima rpm de las mejores prestaciones. Otro distinto. Soy yo un genio como Newey y dispongo del mismo motor Mercedes de antes. Tengo mi coche diseñado de tal forma que produce poco drag y mi velocidad punta es muy buena pero la falta de carga hace que en las salidas de curvas sean lentas. ¿Qué hacer?  Puedo configurar los escapes a bajas rpm para obtener una potencia extra en esas condiciones y así compensar el coche. Interesante, ¿verdad?

Para hacer esto hay que jugar con la longitud del escape. Así, serán más largos para bajas revoluciones y cortos para las altas, pero hay que tener en cuenta una cuestión, decantarse por una u otra hace que siempre se tenga menos prestaciones en la contraria. Dado que las normas de F1 no permiten escapes de geometría variable, la respuesta está en el mejor compromiso posible. El escape es por tanto un compromiso entre la potencia del motor entre  las parte bajas y altas. Pero no solo de mecánica vive la máquina y ahora entran aspectos aerodinámicos en la historia. Otro aspecto a tener en cuenta es dónde queremos expulsar los gases y eso es un tema delicado. Me explico. Yo tengo por ejemplo un escape para altas rpm, por tanto tiene que ser cortos pero para que mi aerodinámica en la parte trasera sea óptima necesito tener la salida de los gases 10 cm más atrás. Problemón ¿verdad? Parte de los problemas se soluciona canalizando el gas en la carrocería y utilizar el efecto Coanda pero nunca será igual. Y para rizar más el rizo, entran en liza las altas temperaturas de los gases de escape pero de ese aspecto hablaré más tarde ya que quiero hacer mención a otro elemento importante para la mejora del motor y su aprovechamiento por parte de los escapes y es el orden de explosión
El orden de encendido o explosión es la secuencia que sigue el orden de los cilindros al realizar su tiempo de combustión en un motor de combustión interna multicilíndrico.

En la F1 como en los coches de calle esto se consigue a través del funcionamiento de la bujía en un motor de gasolina o por la actuación de la inyección de combustible en un Diésel. Cuando se diseña un motor, el elegir correctamente el orden de encendido es de vital importancia para reducir de esta manera las posibles vibraciones que se formen por su funcionamiento, y se consigue de esta manera un funcionamiento suave, una reducida fatiga del metal, una mayor comodidad y una vida útil del motor más larga. Vamos a darle una vuelta de tuerca más a este aspecto. El orden no afecta solo al motor, un buen orden de encendido y configuración del escape hace que sea más eficaz la evacuación de los gases producidos. Veamos. Por un lado tenemos los extremos de cada tubería primaria, por  donde salen los gases del cilindro. Esa pieza se une en un colector, de tal manera que sus extremos están lo suficientemente cerca para interactuar, y el tubo de escape forma un sistema de resonancia secundaria.
Por tanto ya tenemos un sistema resonante pero aún hay más.
Al mismo tiempo, los ingenieros de motores eligen  longitudes de admisión para formar otro sistema resonante, que también interactúa con el sistema de escape. Recordar que la admisión era la primera fase de un motor de explosión de 4 tiempos donde se produce el descenso del pistón para aspira la mezcla aire combustible.
Por tanto, también crean una resonancia con la admisión del motor que se sumará con la producida en el escape para que todo sea maravilloso y genial, permitiendo una salida constante y continua de los gases con gran potencia gracia a las resonancias sumadas.
 Por tanto cuando dos o más tubos de escape de los cilindros se acoplan, el orden de encendido del motor llega a ser significativa, y el orden de encendido de V-8 se elige como un compromiso entre la sintonización de escape y la dinámica de torsión del cigüeñal.

Soluciones para altas temperaturas.

El aumento de los tubos de escape hace necesarios un blindaje para el calor en las partes aerodinámicas del coche pero no solo se queda localizado en la zona del escape, hay que ir más lejos. Debido al paso del aire caliente por el alerón trasero, este se debilita y se hace muy frágil si no está protegido contra las altas temperaturas y por tanto debe ser protegido o reforzado.


A la hora de ser construidos se buscan distintas soluciones. La necesidad de ahorrar peso significa que tienen que ser diseñados cerca del límite. El espesor del acero resistente al calor utilizado, el Inconel tomado de la industria aeroespacial puede variar, pero nunca será mayos de 1 milímetro. Estas piezas artesanales absorben bien tanto las vibraciones como las altas temperaturas, superiores incluso a los 1000 grados pero el estrés producidos por los diferentes radios de curvatura de los tubos producen fatiga que conduce a la aparición de  grietas donde la tensión es mayor. No es de extrañar, en este alto nivel de rendimiento, incluso los mejores de escape se agotaron pronto.
He mencionado al Inconel como el acero resistente al calor utilizado para su fabricación. Este material pertenece a una familia de superaleaciones que tiene una particularidad y es que a altas temperaturas se “relaja”, es decir  desaparecen las tensiones internas producidas en su fabricación y hace que sea más estable.
Es una aleación aproximadamente del 60% de níquel y 22% de cromo y el resto de otros materiales, soporta la oxidación y la corrosión. Es un metal difícil de forma. Para poder trabajarlo son utilizadas técnicas tradicionales, debido al trabajo de endurecimiento rápido. El corte de la placa se hace a menudo con un cortador por chorro de agua.
Bueno amigos, para la próxima hablaremos de los escapes  Helmholtz pero antes os quiero dejar un video interesante. Hasta la próxima.