La Camara De Expansion

La cámara de Expansión: Funcionamiento y principios Todos sabemos que cambiar los escapes de nuestras motos de dos tiempos puede tener grandes efectos sobre la potencia del motor, pero sabemos por que?

Simplemente es porque el sistema de escape de los dos tiempos, normalmente conocido como “cámara de expansión” usa las ondas de presión que emanan de la cámara de combustión para sobrecargar el cilindro. En principio, las cámaras de expansión se fabrican para disminuir las ondas acústicas creadas en el proceso de combustión y absorber los gases ya quemados del cilindro, y en medio de este proceso, absorber también parte de mezcla gasolina-aire en la cámara, y devolverla al cilindro. Lo que se consigue de esta manera es que dentro del cilindro haya una mayor presión atmosférica que la que se podría conseguir dejando el motor a escape libre. Este fenómeno fue descubierto a mediados de los años 50 por Walter Kaaden, que trabajaba en la compañía de Alemania del Este MZ. Kaaden comprendió que había potencia para el motor en las ondas de sonido que salían del sistema de escape, y abrió un nuevo mundo a la teoría de los motores de dos tiempos. La salida de escape de un motor puede ser “entendida”como un generador de sonido. Cada vez que el pistón deja abierta la lumbrera de escape, el flujo de gases que sale a través de la misma genera una onda de presión positiva que sale también a través de la lumbrera. El sonido tendrá la misma frecuencia que el movimiento del pistón. O sea: un motor girando a 8000rpm crea ondas de sonido por el escape a 8000rpm, vamos, 133 ciclos por segundo. Es por ello que la longitud total de una cámara de expansión no depende de la cilindrada de un motor, sino del régimen al que este va a funcionar. Por supuesto, esas ondas de presión y de sonido no emanan en todas direcciones en el momento en que se monta un tubo de escape al motor. En un principio, los motores de dos tiempos tenían escapes rectos. Un simple tubo recto acoplado al escape del motor. Esto creaba una onda de presión negativa que ayudaba a absorber los gases quemados del cilindro. Sin embargo, como las ondas de sonido que empiezan al final del tubo, viajan hasta la otra punta a la velocidad del sonido, solo había un pequeño rango de rpms en el cual la onda de presión negativa alcanzaba la lumbrera y era útil. Esto significa que a pocas revoluciones por minuto, la onda volvía demasiado pronto, y volvía a salir antes de que el cilindro tapase la lumbrera de escape, y a muchas revoluciones por minuto, cuando la onda volvía, el cilindro ya había tapado la lumbrera. En ninguno de los casos, esa onda era aprovechable. El primer remedio que se busco fue simple: como la onda volvía a la lumbrera antes o después dependiendo de la longitud del tubo metálico, solo había que recortarlo a la distancia deseada hasta que el motor tuviese mejor rendimiento a las rpms que se quisieran Analizando este sistema de escape de tubo-recto-para-cortar, los investigadores se dieron cuenta de dos cosas: Lo primero es que esa onda de presion podia ser creada para ayudar a extraer gases ya usados del interior del cilindro, y lo segundo es que esa onda de presion es mas o menos constante, aunque se vea afectada por la temperatura del aire y la presion ambiente. Mayores temperaturas hacen que las moléculas de cualquier gas tengan mayor energía cinética, que se muevan mas rápido, lo cual produce que las ondas de sonido se desplacen ligeramente mas rápido. (Por fin me ha servido de algo estudiar termodinámica...) Un factor complicado aquí es que si el tubo no es recto, la forma que tenga (sea la que sea) va a causar cambio en las ondas de sonido. En la sección del tubo que crece en diámetro, habrá ondas que se refracten y vuelvan al principio del tubo, y a la lumbrera. Estas ondas iran en sentido contrario a las originales, y se convertirán en ondas de presión negativas. Y... AJÁ! aquí es donde llega el gran descubrimiento: incrementando gradualmente el diámetro del tubo, una onda de presión negativa, gradual y mas útil se va generando para ayudar a sacar los gases ya usados del cilindro.

Añadir un tubo divergente, también llamado “megáfono” al final del tubo de escape, hacia que el motor tuviese mas potencia. Es una cámara de expansión rudimentaria. Poner un “megáfono” al final de ese tubo rudimentario, lo que produce es, digamos, un “alargamiento de la onda”. La onda es mas larga, dura mas tiempo, y por lo tanto hay mas posibilidades de que vuelva a la lumbrera en el momento adecuado para ser efectiva.

Resumiendo: si la onda de presión negativa alcanza la lumbrera en el momento idóneo, echará parte de los gases quemados fuera del cilindro, ayudando al motor a expulsar el resto de los gases, y poner un megáfono al final de un tubo de escape rudimentario, hace que la onda de presión negativa dure mas, y aunque pierda algo de fuerza, será mas probable que llegue en el momento adecuado para ayudar al motor a expulsar los gases quemados. Como con los tubos de escape rectos, sin megáfono, la longitud total de un tubo con un cono divergente soldado al final determina el cuando vuelven las ondas de presión negativas, y por lo tanto, las rpm a las que son efectivas. Los puntos críticos de un tubo de escape con un cono divergente son la distancia desde la unión del tubo de escape con el motor hasta el cono, y como no, la longitud del cono y grado con el que este diverge. Un tubo corto con un cono de ángulo muy abierto tendrá un comportamiento mas parecido al de un tubo sin cono. Esto es: la onda tiene prácticamente la misma duración en el tiempo y la misma fuerza. Un tubo largo cuyo cono diverge lentamente, tendrá una onda que dure mas, pero que perderá fuerza. Sin embargo, el incorporar un cono divergente, o megáfono, o como le queramos llamar, a un tubo recto también tenia sus inconvenientes. La onda de presión negativa todavía podía llegar demasiado pronto al cilindro. Esto produce que, además de extraer gases quemados, también extraiga parte de mezcla fresca, recién entrada en el cilindro. Este fue exactamente el problema que tuvo Walter Kaaden en la fabrica de MZ. Se dio cuenta de que poniendo otro cono dado la vuelta, convergente, al final del cono divergente, podría conseguir que ondas de presión positivas refractasen y volviesen a la lumbrera tras las negativas. Bien coordinadas, ese conjunto de ondas de presión positivas y negativas conseguirían que esa parte de mezcla fresca que sacaban del cilindro las negativas, la volviesen a meter en el cilindro las positivas. Así nació la cámara de expansión. Además de la longitud del tubo que sale del escape del motor, una cámara de expansión tiene otras tres medidas criticas. La longitud de la campana entre los conos divergente y convergente, la longitud del tubo tras el cono convergente con el silenciador y por ultimo, el diámetro de la campana. Cada una de estas medidas afecta de forma diferente en una cámara de expansión. La longitud de la campana determina la coordinación entre ondas positivas y negativas. Si es corta, las positivas tendrán menos distancia que recorrer para volver al escape del motor, y llegaran mas cerca de las negativas. El tubo tras el cono convergente, al que llaman “stinger”, y el silenciador, permiten que la presión salga. Un tubo mas largo o estrecho produce que vuelva mas presión a la campana, haciendo que tenga mejor rendimiento. ¿Por que tiene mejor rendimiento?. Porque el volver mas ondas de presión, el gas entre los dos conos se vuelve mas denso y uniforme, lo cual hace que las ondas se muevan con mas facilidad. A mas densidad, mejor se transportan las ondas de presión y sonido. Por ello, por ejemplo, la velocidad del sonido es mayor en el agua que en el aire. Un tubo de escape debe ser fabricado teniendo en cuenta todas estas variables. Es un trabajo difícil.

Según se han ido comprendiendo mejor las fuerzas que actúan en un tubo de escape, los ingenieros y diseñadores han ido creando motores que sacan mas y mas provecho de los mismos, hasta el punto de que hay algunos que necesitan de una cámara de expansión para funcionar. Por ejemplo, un tubo de escape moderno, tiene un primer cono que diverge poco a poco, para mantener la velocidad de salida de gases alta cerca del escape del motor, un segundo cono con divergencia “media”, y un tercer cono con una divergencia mas radical. La campana los une con conos convergentes multi-angulados, que deben llegar a través de un tubo fino y recto, que proporcione potencia, hasta el silenciador. Como podéis ver, las cámaras de expansión modernas crean un escenario complejo que hace que sean muy difíciles de regular.