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domingo, 18 de octubre de 2015

Tuberías, silenciadores y sistemas de escape, ¿cómo funcionan y cómo afectan el rendimiento del motor?.

Si alguna vez ha tenido una falla en el silenciador, "exhosto", o en alguna parte del sistema de escape de su vehículo, ya tendrá idea de la cantidad de ruido que puede producir un motor (sí sí, ya sé que los motores eléctricos que se alimentan de ensaladas y All Bran son silenciosos, me refiero a motores de combustión), el problema es que estos motores funcionan a partir de explosiones, de hecho una gran cantidad de ellas, y estas explosiones a su vez generan una gran cantidad de ruido ondas de sonido que viajan por todo el sistema de escape a diferentes frecuencias de acuerdo con la velocidad y carga del motor.


Aquí algunos de ustedes podrían pensar: "¡gran cosa, un poco de ruido no debería ser difícil de eliminar!", pero lo cierto es que el problema se torna más complejo cuando por eficiencia y rendimiento la idea es que los gases de escape deben salir lo más rápido posible del motor para evitar el "back pressure" o presión inversa, así que cualquier elemento que obstruya el sistema de escape para silenciarlo también va a afectar la eficiencia del motor, ahora sumemos que el motor no produce una sola de frecuencia de sonido sino un rango variado de ellas y tenemos un complejo problema de física e ingeniería acá.

Comencemos por una muy ligera explicación sobre el sonido, se trata de ondas de presión que se propagan a través de un medio (por ejemplo el aire, el agua, una pared, etc.), cuando esta onda viaja lo hace con una frecuencia (que nos da el tono) y una amplitud (que nos da la intensidad), pero todas las frecuencias de sonido que se producen no son audibles por el oído humano, el cual puede detectar frecuencias entre 20 Hz y 20.000 Hz (20 kHz), y es en ese rango donde está la mayoría del sonido que produce un motor.


Entonces ¿Cómo funciona un silenciador?
Los silenciadores pueden eliminar estas ondas de sonido de dos formas: absorbiendo estas ondas o destruyéndolas en unas cámaras de resonancia, y aquí es donde muchos se confunden porque siempre han asociado la palabra "resonador" o "resonancia" con aumentar los niveles de ruido, pero son estas cámaras de resonancia las que reducen los niveles de ruido dentro de los silenciadores de los vehículos.


Cancelación de ruido por resonancia.
En el silenciador existen unas cámaras de resonancia donde las ondas de sonido llegan a una pared y "rebotan", cuando esto sucede las ondas que son reflejadas se encuentran con las que vienen en sentido contrario y se produce un fenómeno llamado interferencia, ahora como estas ondas tienen la misma frecuencia y se están superponiendo se pueden producir tres efectos efectos: uno que se amplifiquen, se reduzcan y otro que se cancelen cuando estén desfasadas 180 grados o π radianes, este fenómeno se llama interferencia destructiva y es el que atenúa el ruido dentro de los silenciadores (de vehículos y armas de fuego).

En la siguiente imagen he modelado en 3d un silenciador para explicarlo mejor, los arcos azules representan una onda que viaja por el sistema de escape y luego se reflejan en la pared del fondo (arco rojo), esta cámara no puede ponerse donde quiera, debe estar diseñada con una longitud específica para que cuando la onda se refleje se cancele con la que va saliendo, efectivo pero cada cámara de resonancia solo puede cancelar una determinada frecuencia. Esta cámara no es la única, de hecho los agujeros en el tubo principal permitan la salida de ondas de sonido hacia las paredes del silenciador donde son reflejadas muchas veces y van perdiendo energía, entra más energía pierda más se atenúa el sonido.


Para ponerles un ejemplo, esto quiere decir que si tuviéramos una fuente de sonido (por ejemplo unos parlantes) a nuestra derecha e izquierda ubicados a la misma distancia, y estos parlantes emitieran un fuerte y atronador sonido de exactamente la misma frecuencia pero con ondas desfasadas 180 grados, ¡nosotros no escucharíamos nada!.

¿Entonces por qué no ponemos un parlante que genere una onda de sonido que cancele el ruido del escape?
Por más descabellada que suena la idea es algo que se ha experimentado [1], pues al tener un escape completamente libre habría una ganancia en potencia y una reducción en el consumo de combustible, el problema básicamente son las condiciones tan adversas donde tendría que operar este "parlante" como altas temperaturas, humedad, elementos que podrían golpear el sistema, etc. Sin embargo hoy en día algunos vehículos como el Audi A8 y A6 usan un sistema que emite una onda a través de los parlantes del vehículo la cual usa interferencia destructiva para eliminar "ruidos molestos" que vengan del motor, el sistema se llama ANC (Active Noise Cancellation), ¿sorprendido?, bueno Mercedes-Benz en su próxima generación de la Clase E estrenará un sistema llamado PRE-SAFE Sound, el cual en caso de que el vehículo detecte que se va a producir un accidente, el sistema de sonido emitirá una onda de baja frecuencia justo antes del accidente lo que causa un reflejo en el oído (reflejo estapedial) donde el músculo se contrae para reducir el efecto de las ondas de alta presión causadas por los metales, los vidrios y el estallido del airbag. esto reduce las lesiones del oído causadas durante el accidente. Ahora yo soy el sorprendido.

Explicación técnica - Interferencia de ondas
En la siguiente imagen se explica el fenómeno de interferencia de ondas gráficamente, en el lado izquierdo vemos dos ondas que se superponen, tienen la misma frecuencia y no se encuentran desfasadas, por lo tanto se amplifican al doble (interferencia constructiva), en el lado derecho vemos el caso contrario, dos ondas con la misma frecuencia pero desfasadas 180 grados entre sí, el resultado es que se cancelan (interferencia destructiva).

La mayoría de silenciadores modernos, cuentan con varias cámaras de resonancia y con sistemas de cancelación de ruido por absorción, por eso son muy eficientes eliminando la mayoría del ruido que produce el motor, sumado a que el uso de herramientas CAD y la simulación por FEA (Método de Elementos Finitos) ha mejorado significativamente el flujo de los gases de escape dentro de sus cámaras y pasajes evitando pérdidas innecesarias de potencia en estos sistemas. (Al final les preparé un ejemplo real sobre el uso de estas herramientas CAD).

Cancelación de ruido por absorción.
Este tipo de silenciadores son básicamente los de "alto flujo" o algunos pre-silenciadores, la ventaja es que son menos restrictivos y económicos de producir, la desventaja es que generalmente solo son buenos cancelando las frecuencias mayores a 2 kHz (2000 Hz), pero dejan pasar las frecuencias menores a unos 400 Hz [2] y es por eso que los vehículos que tienen estos sistemas de escape tienen un sonido más grave.



Su construcción aparentemente es muy sencilla, un tubo lleno de agujeros en su superficie por los cuales las ondas de sonido se escapan hacia algún material absorbente (como fibra de vidrio). Sin embargo no es tan sencillo, pues variables como el diámetro del tubo, la cantidad de agujeros, el diámetro de estos, el material, etc. todo influye, y si ud. alguna vez ha puesto uno de esos "mufflers" fabricados sin ningún tipo de técnica, sabrá a qué me refiero, y sus vecinos también. Algunos fabricantes usan sistema auxiliares como algunas cámaras de resonancia para mejorar la efectividad de estos silenciadores o para "crear" un sonido más "deportivo" sin sobrepasar los niveles de ruido permitidos.

¿Y qué hay de la potencia?
Existen silenciadores de alto flujo que prometen ganancias en potencia, aunque como tal un silenciador no puede producir potencia, lo que sí puede hacer es reducir la presión inversa o "back pressure" y reducir las pérdidas de potencia que se producen en el sistema de escape.


Aquí hago un paréntesis pues en muchos foros y en conversaciones con muchos "sabelotodos" del mundo de los carros, es frecuente escuchar que ciertos niveles de presión inversa son necesarios para el motor, la respuesta para esto es: NUNCA. La presión inversa es un problema en cualquier caso desde el punto de vista de la eficiencia; lo que sí puede afectar negativamente el rendimiento es variar significativamente el diámetro de los tubos en el sistema de escape porque afectamos el efecto "scavenging", y no debemos hacerlo a menos que tengamos un buen conocimiento de la mecánica de fluidos, un buen simulador CAD, o mucho tiempo y dinero para hacerlo mediante prueba y error en un dinamómetro.



Explicación técnica del "back pressure", "scavenging", y el efecto Kadenacy.
El tema viene sobre todo cuando se habla del diámetro de la tubería, aquí se debe tener en cuenta el principio de Bernoulli, el cual se aplica perfectamente al fluido (gases de escape) que pasa a través del sistema de escape de un automóvil, si el diámetro de su tubería se reduce bastante entonces la velocidad de los gases de escape aumenta pero se reduce la presión, en cambio al aumentar el diámetro de la tubería la velocidad de los gases de escape se reduce pero aumenta la presión. En este último caso se puede afectar el efecto de "scavenging", en el cual los gases de escape de cada cilindro cuando viajan a través de la tubería succionan los gases de escape que vienen detrás de ellos (los del siguiente cilindro en tiempo de escape). para mantener un flujo constante en el sistema de escape que mejora la eficiencia, si ponemos una tubería de mayor diámetro podemos reducir este efecto y reducir la capacidad del sistema,

El fenómeno del "scavenging" también se aplica al diseño de los colectores de escape o headers a través del efecto Kadenacy [3], el cual se explica como el momento (cantidad de movimiento) de los gases de escape, al salir del cilindro de un motor de combustión interna crea una caída de presión en el cilindro el cual mejora el llenado del cilindro de aire (inyección directa) o aire-combustible.

Mayor ruido no siempre es mayor potencia.
Es común encontrarse con personas que tienen la percepción que un sistema de escape más ruidoso es menos restrictivo, pero no siempre es así, existen silenciadores diseñados sin mucha técnica donde se evidencian graves faltas de diseño como son: bastantes imperfecciones en sus soldaduras que generan sonidos de altas frecuencia y afectan el flujo de gases de escape, cámaras de resonancia diseñadas al azar, número de agujeros insuficientes, materiales aislantes de poca durabilidad, etc. Como norma general evite los silenciadores "artesanales" fabricados en garajes pues su durabilidad, calidad de fabricación y diseño dejan mucho que desear. 


La excelencia.
Claro, también hay silenciadores a los cuales se les realiza un estudio concienzudo de sonido y de mecánica de fluidos, que no solo están bien diseñados sino que son fabricados con materiales exóticos que aseguran un bajo peso y una gran durabilidad, un ejemplo de esto se puede encontrar en la empresa Eslovenia Akrapovič la cual fabrica unos de los mejores silenciadores del mundo, los cuales aseguran una reducción en peso y aumentos de potencia reales: por ejemplo para el Lamborghini Aventador LP700-4, la marca anuncia una reducción de peso de 13,8 Kg y un aumento de potencia de 10 HP, cifras logradas con un cuidadoso diseño y con el uso de Titanio e Inconel (una superaleación austenítica de niquel-cromo resistente a la oxidación y corrosión en ambientes extremos de alta presión y temperatura).

Aquí les dejo un video del sistema de escape de Akrapovič para el Porsche 911 GT3 991.



Diseño utilizando Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) y Método de Elementos Finitos (FEA).
Una de las herramientas más importantes para los diseñadores de sistemas de escape es la Dinámica de Fluidos Computacional, aquí se usan programas y computadores para resolver problemas de mecánica de fluidos que de otra forma serían muy difíciles de calcular, y aprovechando que esta es una de las herramientas de diseño que uso les voy a hacer una demostración de cómo un pequeño cambio en el diseño de un silenciador puede afectar la eficiencia de un silenciador.

Para esto he utilizado un software CAD (SolidWorks) que me permitió realizar la simulación usando el Método de Elementos Finitos (FloXpress), básicamente he modelado un silenciador sencillo de tres compartimentos con dos cámaras de resonancia y una cámara de lado resonante, al cual luego le he agregado un tubo adicional entre dos de las cámaras para estudiar el efecto que tendría en el flujo de los gases de escape, a continuación les dejo un video de las simulaciones donde podrán notar el efecto de un (aparentemente) pequeño cambio:


La primera simulación es de un silenciador que encontré por Google, lo modelé en SolidWorks y me di cuenta de la excesiva turbulencia que se producía en la cámara central, así que simplemente agregué un elemento de unión entre ambas cámaras y puede apreciarse como mejora notablemente la eficiencia en el flujo de los gases de escape (aunque esto podría afectar el sonido para bien o para mal), aquí pude haber jugado con más variables como por ejemplo usar algún sistema difusor, conos, etc., al final, lo ideal siempre es realizar una comprobación con prototipos reales pero esta herramienta proporciona una gran ventaja a los diseñadores de estos elementos.

Por cierto las condiciones iniciales del problema son las siguientes:
Volume Flow Rate: 0.05 m^3/s
Temperatura: 420 K
Presión de salida: 1 atmósfera
La explicación para el Volume Flow Rate de 0.05 m^3/s está dada por el flujo de gases de escape de un motor de 2.0 litros y cuatro cilindros girando a 3000 rpm, a continuación describo el cálculo:

[1] BOONEN R. Development of an active exhaust silencer for internal combustion engines. K.U.Leuven, Faculty of Applied Sciences, Department of Mechanical Engineering, division PMA. Disponible en <https://www.isma-isaac.be/publications/PMA_MOD_publications/ISMA23/p1245p1252.pdf>
[2] BLAIR Gordon P. Design and Simulation of Four Stroke Engines. SAE. 1999, p.722 - 724.
[3] GUPTA H. N. Fundamentals of Internal Combustion Engines. Segunda Edición. PHI, 2013, p.428, 429 

2 comentarios:

  1. Excelente articulo, son pocos los buenos articulos sobre este tema,, sin embargo despues de ller mucho en internet y leer este articulo, encuentro que casi todos hablan de lo malo que es poner una tuberia de un un diametro mayor a la original, pero no hablan casi sobre reducir el diametro, a parte de que esto reducira el ruido, pero que pasa con el motor, trabaja mas forzado ? se recalienta ?

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  2. hola amigo, desde vzla. se podría hacer un silenciador para una turbina centrifuga con este mismo principio pero a la inversa? esdecir en vez de escape admisión!

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