Colectores de escape 4-2-1 y 4-1

Geometría de los colectores de escape

El motor “respira”; entra aire y combustible, y después de su explosión o combustión, los gases ya quemados resultantes salen al exterior.

Las operaciones de entrada o admisión, y salida o escape, se hacen a elevadas velocidades de transito de los gases por los colectores.

A estas grandes velocidades de circulación de los gases se añaden otros efectos que generan alteraciones, cuando abren y cierran las válvulas de admisión y escape y al tener que pasar los gases de admisión y escape por elementos imprescindibles para el funcionamiento del motor que obstaculizan el libre paso de los gases.

Diseñar sistemas de entrada y salida de gases que faciliten su circulación supone mejorar el llenado en admisión y el vaciado en escape, lo que se traduce en mejor rendimiento del motor, menos contaminación y más par y potencia.

No es fácil diseñar los colectores y las secuencias de actuación de las válvulas, hasta la llegada y utilización habitual de la distribución de fase variable, se tenía que elegir como iba a ser el comportamiento del motor, más eficiente a bajas, medias o altas RPM.

Con la incorporación de la sobrealimentación, ya prácticamente en todos los motores con escasas excepciones, se logra mejorar mucho el llenado, pero el vaciado sigue siendo un factor a tener en cuenta para permitir la salida de los gases de escape lo antes posible y en el mayor volumen, así podrá entrar más masa de admisión que aporte el par y potencia.

Resonancia en los colectores. Detalle de resonancia en los colectores de escape

Las explicaciones que siguen se complementan con dos imágenes de los mismos títulos.

En la de “Resonancia en los colectores” se ve lo que pasa en admisión y escape, y se representan los elementos que hay antes y después de la entrada del aire y salida de gases quemados.

En la de “Detalle de resonancia en los colectores de escape” se ven ampliadas dos situaciones, sin y con efecto de la resonancia en la evacuación de los gases de escape.

Al funcionar el motor se van produciendo entradas y salidas de gases a inmensas velocidades, a lo que se añade como se ha comentado, efectos de freno que implican súbitos cambios de sentido y tener que atravesar obstáculos imprescindible para el funcionamiento del motor.

Por supuesto, los gases de admisión entran y los de escape salen, pero hay unos efectos de inercias contrapuestas que alteran sensiblemente los flujos de entrada y salida que influyen sensiblemente en la respuesta y los resultados del motor en todos los aspectos.

Resonancia en los colectores

Resonancia en los colectores es el vaivén de los gases que se produce al cerrar y abrir las válvulas, por la geometría, tamaño y forma de los colectores además de los elementos con efectos de “freno” en admisión y escape.

Se ve un motor de cuatro cilindros en línea con los colectores de admisión y escape, y es la base de las siguientes explicaciones, apoyadas por los detalles de los cilindros 3 y 4 a la derecha que resaltan la situación de las válvulas de escape, y se representan ampliados en la siguiente diapositiva.

Se ha de tener en cuenta la inmensa velocidad de los gases en los colectores, que se mantiene y refuerza por los efectos de los vaivenes que provocan cambios de sentido.

Colector de admisión; antes de entrar al motor está el filtro de aire que obstruye el paso al aire de admisión.

Es necesario para evitar que entren a los cilindros suciedad e impurezas.

Si el motor es sobrealimentado puede haber uno de los dos sistemas que se ven, compresor volumétrico en motores de gasolina o turbocompresor (la turbina del compresor) en gasolina y diésel.

Situación de los colectores de admisión en cada uno de los cuatro cilindros

  • Cilindro 4 con válvula de admisión abierta; está entrando al cilindro la masa de admisión a muy elevada velocidad al cilindro. Puede ser aire y gasolina con carburación o inyección indirecta o solamente aire si el motor es diésel o gasolina con inyección directa
  • Cilindro 3 con válvula de admisión cerrada; los gases de admisión en el colector rebotan en la válvula al estar cerrada y cambian bruscamente de sentido, hacia el exterior del motor
  • Cilindro 2 con la válvula de admisión cerrada y abriendo; los gases de admisión rebotan de nuevo con los que están entrando por su inercia y el efecto freno del filtro de aire, lo que les hace volver a cambiar de sentido, ahora hacia el motor
  • Cilindro 1 con válvula de admisión abierta; si coincide la apertura con el rebote de los gases de admisión hacia el motor, se suma esta inercia con la succión del pistón al bajar en el cilindro, aumentando el llenado

En admisión hay un aspecto que influye en el diseño de los colectores, es como y donde se aporta el combustible al motor, pues será útil que se generen determinadas turbulencias que favorezcan los contactos entre el aire y el combustible que propicien una buena explosión (gasolina) o combustión (diésel).

Colector de escape; al salir los gases de escape se pueden encontrar según el motor y los sistemas anticontaminación que equipe el automóvil diferentes elementos que obstaculicen el paso a los gases de escape, son estos; turbocompresor (turbina), catalizador y otros elementos de limpieza de gases de escape, el o los silenciadores y la salida al exterior.

Detalle de resonancia en los colectores de escape

Situación de los colectores de escape en cada uno de los cuatro cilindros

  • Cilindro 1 la con la válvula de escape abierta; están saliendo los gases de escape quemados a gran velocidad empujados por el ascenso del cilindro
  • Cilindro 2 con la válvula de escape cerrada; los gases de escape siguen su recorrido por el colector y chocan con los que están saliendo más lento, por el efecto freno provocado por el rápido empuje ya que no pueden salir más rápido, y además son frenados por lo que se encuentran en su recorrido; turbina del turbocompresor, catalizador, silenciador,… estos gases rebotan y cambian de sentido hacia el motor
  • Cilindro 3 con válvula de escape cerrada, también se representa en el detalle del cilindro 3 y ampliado en la siguiente diapositiva; los gases de escape que vuelven hacia el motor se encuentran con la válvula de escape cerrada, lo que les hace rebotar de nuevo y cambiar de sentido, ahora hacia el exterior
  • Cilindro 4 con válvula de escape abriendo, también se representa en el detalle del cilindro 4 y ampliado en la dispositiva siguiente; los gases de escape han rebotado en la válvula de escape cerrada y salen con gran velocidad hacia el exterior, si en ese instante comienza a abrir la válvula de escape este efecto hace de tiro que se suma al empuje del pistón subiendo, lo que ayuda al vaciado más rápido y completo del cilindro

Estos movimientos en los colectores a tan inmensas velocidades, proporcionales a las RPM, tienen efectos tan trascendentes en los motores que son una de las partes más complejas de diseñar, sobre todo en automóviles de calle que han de satisfacer distintos objetivos, algunos contrapuestos.

Además, el espacio disponible en el vano motor es limitado y sus formas no son las ideales para colectores con la mejor eficiencia.

Como ejemplo, en los fórmula 1 de hace años, sin sobrealimentación, al poder diseñar la geometría, sección y forma de los colectores de admisión y escape con objetivos exclusivamente prestacionales, además de adaptar el diagrama de distribución para altas RPM, se lograba mejorar el llenado más de un 35%, casi como un motor sobrealimentado.

A muy altas RPM, la velocidad de los gases en los cambios de sentido es similar al empuje que se produce en el cañón de una escopeta sobre la bala.

Geometría de los colectores de escape 4-2-1

Se ven tres imágenes de motores de cuatro cilindros en línea, una en planta y dos en perspectiva, de estas la superior representa la admisión (azul) y la inferior el escape (rojo).

En la imagen en planta se ven los colectores de admisión, escape y las válvulas.

También se representan detalles de los colectores de admisión y escape separados de sus respectivas culatas.

En las imágenes de los motores se numeran los cilindros.

Los motores representados tienen el orden de encendido 1-3-4-2, es en el que se van produciendo las explosiones o combustiones en cada uno de los cilindros.

Los demás tiempos del motor siguen este mismo orden por supuesto; admisión, compresión, explosión (encendido) y escape.

Colector de admisión

  • La entrada exterior de admisión, donde está el filtro de aire, se sitúa centrada en el colector de admisión, que se divide a continuación con una entrada para cada uno de los cilindros
  • La alimentación de gasolina puede ser mediante carburación o inyección monopunto, situados uno u otra bajo el filtro de aire y es común para los cuatro cilindros. Hay más opciones
  • Si la inyección de gasolina es multipunto hay uno para cada cilindro en el colector de admisión, inyección indirecta, que puede ser simultánea si inyectan todos a la vez, o secuencial si lo hacen independientemente unos de otros
  • También la inyección puede ser directa, después de la válvula de admisión, dentro de cada cilindro, tanto en gasolina como diésel

En el blog hay artículos que explican la evolución de la alimentación de gasolina y diésel.

Colector de escape

  • Según se ve los colectores de los cilindros 1 y 4 tras un recorrido se unen en una salida de escape, que desemboca en la entrada de un elemento representado como catalizador o silenciador
  • Estos cilindros 1 y 4 tienen orden de encendido separado, entre ambos se produce el de los otros dos cilindros 2 y 4
  • Esto es lo mismo que sucede en los cuatro tiempos del motor, como se ha comentado, y es el tiempo de escape y el que nos interesa para este artículo
  • Los colectores de los cilindros 2 y 3 se unen tras un recorrido en una salida común, que sigue hasta el catalizador o silenciador
  • Estos dos cilindros también tienen orden de encendido separado, entre los que se producen los de los otros dos, 1 y 4
  • Lo mismo sucede con los demás tiempos del motor, siendo el de escape el que ahora nos interesa
  • En la entrada del catalizador o silenciador confluyen los conductos de los cilindros 1-4 y 2-3 que hasta esta entrada eran dos grupos independientes
  • La resonancia en los colectores de los cilindros agrupados se producen en tiempos de motor separados y después se unen, pudiendo tener influencias las resonancias unos sobre otros en determinadas fases de funcionamiento del motor, como veremos

Si se dispone de turbocompresor se coloca lo más cerca posible del motor, incluso puede formar parte de los colectores de escape.

Con turbocompresor hay sistemas para reducir el tiempo de respuesta desde bajas RPM relacionados con el colector de escape.

Geometría de los colectores de escape 4-2-1

Geometría de los colectores de escape 4-1

Tres imágenes representa tantos motores de cuatro cilindros en línea, una en planta y dos en perspectiva, de estas en la superior se ve la admisión (azul) y en la inferior el escape (rojo).

En la imagen en planta se ven los colectores de admisión, escape con sus válvulas.

También se representan en dos imágenes detalles de los colectores de admisión y escape separados de sus culatas.

En los motores se numeran los cilindros.

Colector de admisión

  • La entrada exterior de admisión, donde esta el filtro de aire, se sitúa a un lado del colector de admisión, que sigue hasta cada cilindro
  • La alimentación de gasolina suele ser mediante inyección de gasolina multipunto, uno para cada cilindro en el colector de admisión, inyección indirecta, simultánea o secuencial como se ha explicado
  • También la inyección puede ser directa, después de la válvula de admisión, dentro del cilindro, tanto en gasolina como diésel

Hay bastante sistemas de inyección de combustible, se han indicado antes dos enlaces para disponer de más información, en gasolina y diésel.

Colector de escape

  • Se ve que los colectores de los cuatro cilindros son independientes hasta la entrada del catalizador o silenciador, si el motor tiene turbocompresor, sería el primero en recibir los gases de escape
  • Los colectores de los cuatro cilindros no se comunican hasta llegar al primer elemento del escape, como se ha expuesto.
  • Las resonancias se producen en cada uno y se influencian entre sí en determinadas condiciones de marcha del motor, como se verá más adelante

Como se expuso antes, si el motor tiene turbocompresor se situará muy próximo a la salida de los gases de escape para aprovechar al máximo el empuje de salida de los gases quemados.

Se han propuesto dos enlaces para conocer los sistemas que permiten mejorar la respuesta del motor con turbocompresor desde bajas RPM, necesario para su implantación en automóviles de calle.

Las explicaciones sobre los colectores, tanto de admisión como escape, son aplicables a motores con más número de cilindros.

Según los objetivos se agruparán de una u otra forma los colectores de escape en función del orden de encendido, teniendo también en cuenta la disposición de los cilindros del motor, en línea, en V, horizontales opuestos o en W.

Geometría de los colectores de escape 4-1

Comparación de la geometría de los colectores de escape 4-2-1 y 4-1

La resonancia que se genera en los colectores de escape tiene efectos específicos sobre la ayuda al vaciado de los cilindros según las dos formas de agruparlos.

Vamos a comparar los resultados en las curvas de par y potencia, en valor y forma, con el complemento del cuentarrevoluciones.

Colector de escape 4-2-1

  • Los efectos de la resonancia en los colectores de escape mejoran el rendimiento a bajas y medias RPM, es decir el par motor
  • La potencia es función del par y las RPM por lo que tendrá valores medios al subir el motor de RPM ya que el par disminuye
  • La resonancia en los colectores de escape favorece el vaciado de gases a medias RPM al coincidir el rebote de gases hacia el exterior en la válvula de escape, con su inicio de apertura, mejorando el par
  • Este efecto de ayuda se va reduciendo según sube más el motor de RPM

Colector de escape 4-1

  • Mejor rendimiento desde medias y altas RPM, menos para a bajas y medias RPM
  • El par va aumentando desde medias RPM, lo que hace que se incremente desde este régimen la potencia, que es el resultado del multiplicar el par por las RPM
  • La resonancia en los colectores de escape favorece el vaciado de gases quemados desde medias RPM, siendo menor este efectos a más bajas RPM
  • Desde medias RPM aumenta la coincidencia del inicio de apertura de válvulas de escape con el rebote de los gases quemado sobre esta y hacia el exterior del motor, mejorando y agilizando el vaciado de los gases de escape

Hay más efectos que influyen en estos resultados, entre estos las inter-relaciones entre los flujos de admisión y escape en los instantes en que está ambas abiertas, cruce de válvulas.

Se explica en el artículo Distribución variable en fase DFV.

Comparación de la geometría de los colectores de escape 4-2-1 y 4-1

Configuración de colectores de escape con 6 cilindros en línea y 12 en V

Se ven tres automóviles con diferentes motores y disposición de los colectores de escape, en perspectiva y detalle en planta de cada motor, como ejemplo de las explicaciones.

Esos automóviles son anteriores a la implantación del catalizador, y no tienen sobrealimentación, por lo tanto lo primero que hay a continuación de los colectores de escape es un silenciador.

En los motores en planta se numeran los cilindros.

Bristol Six

  • El motor tiene 6 cilindros en línea
  • Los colectores de escape están dispuestos así; 6-3-2-1
  • Las agrupaciones de tres colectores a la salida del motor corresponden a cilindros separados según el orden de encendido; 1-6-3-5-2-4
  • Los dos colectores de las dos agrupaciones de tres cilindros cada una siguen hasta el silenciador
  • Esta configuración ofrece mejor rendimiento en el entorno de medias RPM

Ferrari 166

  • Motor de 12 cilindros en V
  • En cada bancada de seis cilindros se agrupan los colectores de escape de esta forma 6-2-3-1
  • Cada grupo de dos colectores con orden de encendido separado se unen en uno y los tres resultantes convergen en la entrada del silenciador
  • El orden de encendido es 1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10
  • Se prima el par motor con esta disposición
  • La potencia, imprescindible al ser un deportivo, se obtiene con más cilindrada o poder subir a más RPM el motor
  • El contar con buen par motor mejora la respuesta desde bajas RPM

Ferrari 250 GT Competizione

  • Motor de 12 cilindros en V
  • Los colectores de los seis cilindros de cada bancada confluyen en una unión a otro colector que sigue hasta el primer silenciador
  • Esta configuración prima la potencia y empuje a altas RPM
  • Es lógico por el destino a competición de este modelo
  • El orden de encendido es 1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10

En el motor térmico es el llenado y vaciado de los cilindros lo que determina su rendimiento.

Actualmente, con la implantación de sistemas variables de distribución, colectores, válvulas, alimentación de combustible… se logra que la curva de par sea más plana, pero para contar con más valor de par, y por supuesto potencia, se incorpora la sobrealimentación, sobre todo mediante turbocompresor, uno o más.

Con estas tecnologías se puede disponer de rendimientos adaptativos del motor según se conduzca.

Aunque siguen teniendo influencia los colectores, son un elemento más en el diseño del conjunto de componentes que regulan la respiración del motor.

Y todo esto sin hablar de las cajas de cambio con inserción automática de las relaciones hacia adelante, que además cuentan con más número de marchas.

El control electrónico de estas cajas de cambio permite que el motor funcione a las RPM que mejor responden a las de demandas del conductor sobre los mandos del automóvil.

Este comentario es para recordar que el automóvil es el resultado de combinar muchos elementos, sistemas, órganos,… por lo que si tomamos solamente uno en consideración el análisis no es completo, esta es una de las razones de porque en los artículos aludimos a otras tecnologías relacionadas y añadimos enlaces para disponer de más información.

Configuración de colectores de escape con 6 cilindros en línea y 12 en V

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Vídeos de interés

Comparación múltiples de escape std vs 4-2-1 vs 4-1

 

HEADERS LINEA DE ESCAPE "AUMENTAR POTENCIA DE MOTOR" Parte3

 

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