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Escuela Superior Politécnica del Litoral“Impulsando la sociedad del conocimiento”

Ingeniería Mecánica

Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción

Ángel Andrés López López

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SILENCIADORES EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA

Ángel Andrés López López

Ing. Gonzalo Zabala Ortiz

Guayaquil – Ecuador

Enero del 2015

Silenciadores en Motores de Combustión Interna

Contenido

1. INTRODUCCIÓN................................................................................................................................. 2

1.1. RESUMEN:........................................................................................................................................21.2. OBJETIVO:.......................................................................................................................................31.3. MARCO TEÓRICO.............................................................................................................................3

2. DISEÑO DE LOS SILENCIADORES EN LA INDUSTRIA MODERNA...........................................................4

2.1 Múltiple Colmenas:.............................................................................................................................42.2 Colmena Individual:.............................................................................................................................4

3. ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DEL SILENCIADOR..........................................................................6

3.1 Componentes del Silenciador..............................................................................................................6

4. TIPOS DE SILENCIADORES...................................................................................................................... 6

4.1 Silenciadores para pequeños espacios y aplicaciones críticas.............................................................64.2 Silenciadores para Sistemas de Escape existentes...............................................................................64.3 Silenciadores de Escape de Motor estándar........................................................................................64.4 Silenciadores de pérdida de baja presión............................................................................................64.5 Dispositivo para ahorrar espacio.........................................................................................................64.6 Amortiguadores de chispas, sin silenciador.........................................................................................64.7 Silenciadores de amortiguador de chispa, tipo 1.................................................................................64.8 Silenciadores de amortiguador de chispa, tipo 3.................................................................................64.9 Silenciadores multi-camara serie EN...................................................................................................64.10 Silenciadores Directos serie ET..........................................................................................................64.11 Silenciadores de amortiguación de chispa serie ES............................................................................6

5. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES........................................................................................................7

6. RECOMENDACIONES.............................................................................................................................. 7

7. BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................................ 7

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1. Introducción

1.1. Resumen:

La finalidad de este proyecto es entender mejor cómo funcionan los silenciadores para motores de combustión interna, así como también conocer acerca de qué innovaciones tecnológicas se están implementando para poder disminuir las emisiones de ruido en el entorno.La energía mecánica, indispensable para poner en acción diferentes máquinas se puede obtener utilizando energía térmica, hidráulica, solar y eólica. La que más se utiliza es la energía térmica obtenida de los combustibles de naturaleza orgánica. El impacto ambiental del MCI está estrechamente relacionado con un problema social surgido por la utilización creciente del mismo: la reducción de los niveles de emisión de sustancias tóxicas y de los llamados "gases de invernadero", y la reducción de los niveles de ruido.Las discusiones internacionales acerca de las causas e implicaciones para la humanidad del llamado "efecto invernadero", provocado por las crecientes emisiones a la atmósfera de gases tales como: CO2, metano, óxido nitroso y los cloro-flurocarbonatos, reflejan la necesidad de un enfoque integral en el tratamiento de los problemas ambientales y del desarrollo, así como la necesidad de una acción concertada de la comunidad internacional para mitigar los efectos del calentamiento.En el presente trabajo se analizan los factores que influyen sobre los niveles de toxicidad y ruido de los MCI más usados en la agricultura y se ofrecen algunas medidas que pueden tomarse para disminuir los mismos.

1.2. Objetivo:

Conocer cuál es la función principal de los silenciadores.

Conocer cuáles son las innovaciones en los silenciadores.

Conocer la importancia de los silenciadores en los motores de combustión interna.

1.3. Marco teórico

El sistema de escape es el medio que ayuda o que conduce los gases del motor después de la combustión hacia el exterior. Este punto es muy importante porque mejora la combustión y la potencia final obtenida. Así también con unos accesorios adicionales mejoran la combustión y en varios casos reduce las emisiones de gases nocivos.Los silenciadores dejaron de ser simplemente un medio de supresión de ruido. También actúan como un dispositivo de enfriamiento para los gases de escape de la cámara de combustión.

Este sistema consta de múltiples conductos, catalizadores, silenciador y en algunas instalaciones de sensores auxiliares. Entre todas estas partes el cual vamos analizar son los silenciadores.

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SILENCIADORES: Los gases de admisión emiten una presión considerable una vez realizada la combustión del motor. Si estos gases salieran directamente del motor el ruido provocado sería muy escandaloso y la potencia del motor podría disminuir. Por tal motivo, el camarín envía los gases al múltiple de admisión, este los junta y envía posteriormente a la tubería de escape, allí los gases en forma de humo pasan por el silenciador o resonador el cual está compuesto por celdas metálicas en forma tubular y con agujeros conocidas como colmenas, para así expulsarlos de forma circular.Los silenciadores están construidos de metal y están ubicados por lo general debajo de la parte trasera del vehículo. En los vehículos de tecnologías modernas, el convertidor catalítico está ubicado entre la tubería de escape y el silenciador o resonador.Hoy en día, es posible evitar la falla prematura del silenciador. Para esto es necesario que sea resistente a todo tipo de procesos de corrosión y otras influencias externas del ambiente agresivo. En los coches modernos para la fabricación de un silenciador se utiliza el acero.

2. Diseño de los Silenciadores en la Industria Moderna.

2.1 Múltiple Colmenas:

El silenciador de múltiples colmenas ayuda a disminuir considerablemente el ruido de los gases al salir del motor, el cual es creado por el abrir y cerrar de las válvulas de escape. Al momento que las válvulas de escape se abren, estas realizan una descarga de gases quemados de alta presión hacia la tubería intermedia del escape, en esta sección se expande los gases con menos presión. Sin embargo, esta acción crea como consecuencia ondas de sonido que viajan junto a los gases salientes y se desplazan muchísimo más rápido que estos gases emanados (estamos hablando de aproximadamente 2,240kph / 1.400mph), es justo allí cuando el silenciador hace su papel de minimizar los ruidos producidos por éste fenómeno. Generalmente, el silenciador convierte la energía de la onda de sonido en calor, debido al pase de los gases de admisión y su acompañante patrón de ondas a través de las cámaras con reflectores y colmenas perforadas de diferentes tamaños forzando las ondas de sonido a que disipen su energía. A pesar que el silenciador de múltiples colmenas ayuda a reducir el ruido, éste a su vez restringe la salida más rápida de los gases hacia el exterior limitando considerablemente las prestaciones del vehículo.

2.2 Colmena Individual:

Silenciador de colmena individual compuesto por celdas metálicas en forma tubular y con agujeros a lo largo de su colmena, el cual está diseñado para reducir la presión de los gases acumulados en la parte posterior del sistema de escape, permitiendo liberar los gases más rápidamente, produciendo como consecuencia más ruido exterior. Debido a que el silenciador de colmena individual no está en capacidad de reducir el ruido ocasionado por los gases del mismo motor, algunos sistemas de escape poseen resonadores. Los resonadores actúan como pequeños silenciadores y son generalmente utilizados al final del escape como tal. Este tipo de escape es el utilizado a nivel mundial por las personas que modifican sus vehículos tipo "Tuning" debido a los beneficios que estos otorgan o son fabricados de forma universal para todas las aplicaciones vehiculares existentes. Los silenciadores están determinados por el tipo de motor de combustión interna que se va a

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utilizar, el uso final del motor y el nivel que se va a tener de atenuaciones necesario. Se debe tener mucho cuidado con la compra y selección de estos silenciadores.A continuación se muestran unos silenciadores de una marca específica de venta de estos silenciadores que se encontró en internet:

Fig.1: Modelos de Silenciadores para mototres de combustion interna

Fig. 2: Modelos de Silenciadores para motores de baja caída de presión.

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3. Análisis del funcionamiento del Silenciador.

Este elemento tiene el objetivo de amortiguar el ruido que se produciría si la onda mecánica de choque generada cuando se abre la válvula de escape llegase directamente al exterior. El silenciador tampoco es imprescindible, pero pueden imaginarse una vía de tráfico intenso si todos los automóviles produjeran ruido intenso, por eso, en la mayoría de los países es de uso obligatorio este dispositivo.Hay infinidad de diseños de silenciadores con mejor o peor eficiencia acústica, pero todos sin excepción, lo que buscan es convertir el flujo pulsante de ondas de choque de los gases de escape a un flujo continuo y silencioso. Para ello se utiliza la cualidad de las ondas de reflejarse e interferirse, veamos cómo funciona.La clave para su funcionamiento radica en conducir los gases de escape que salen del motor, como ondas de choque desde cada uno de los cilindros, a una cámara donde estas ondas choquen y se reflejen desde las paredes y actúen de manera destructiva sobre las ondas entrantes.En la figura se ha representado un esquema simplificado de cómo se atenúan las ondas dentro del silenciador. Para comenzar, diremos que el silenciador es una cámara cerrada, con una entrada por donde se introducen los gases del motor y una salida al resto del tubo de escape. Adentro tiene un tabique separador para formar dos cámaras (en la práctica son hasta 4), a una de las cámaras se introduce la mezcla entrante (rojo), formada por una serie de pulsos de presión u ondas de choque, estas ondas se mueven por la cámara hasta alcanzar la pared de donde se reflejan (azul). Si la distancia desde la boca del tubo de entrada hasta la pared del fondo se calcula bien, teniendo en cuenta la velocidad de propagación de las ondas en ese medio, se puede lograr que las ondas de rebote interactúen con las de entrada interfiriéndolas de modo destructivo, con la consiguiente disminución de la amplitud. De esa cámara pasan a la otra, donde el efecto se repite, y al final del silenciador salen los gases con las ondas (equivalentes al ruido) muy atenuadas. El gráfico de abajo muestra cómo podía ser el proceso a lo largo del silenciador. Entran con una gran amplitud y salen con ella muy reducida.El proceso en la figura 3 está bastante simplificado y sirve para entender el funcionamiento, pero en la práctica, las ondas chocan en todas las paredes del dispositivo, y la interacción es entre un patrón de ondas más complejo que el representado.En los silenciadores reales, se usan otros modos de favorecer el objetivo, como por ejemplo, llenar de perforaciones los tubos interiores para convertir la onda de choque en múltiples ondas (una por cada agujero), que al moverse y rebotar dentro de la cámara producen un intenso patrón de interferencia. Otra cosa que se hace es llenar el espacio interior del silenciador con un material fibroso que absorbe y atenúa las ondas sonoras.

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Ilustración 3.- Esquema de Funcionamiento del Silenciador.


3.1 Componentes del Silenciador.

En un silenciador de escape estándar, el gas ingresa a el y se desplaza hasta el fondo del tubo de entrada para luego ser reflejado hacia la cámara principal. Posteriormente sale atravesando pequeñas perforaciones practicadas en el tubo de salida del silenciador. Al mismo tiempo, la cámara principal se mantiene conectada con otro compartimento denominado resonador.

3.2 Escapes Sónicos.

El volumen del sonido depende de la amplitud de onda. Esta varía según el valor de la presión que lo genera. A mayor amplitud de onda mayor volumen. Para aminorar el volumen del sonido sin afectar el desempeño del motor se anulan las ondas que salen del motor con otras que vienen reflejadas desde el silenciador (interferencia destructiva). Si una onda está en máxima presión y se encuentra con otra similar en mínima presión se contrarrestan. Existen varios diseños básicos para conseguir el efecto amortiguador. Los fabricantes muchas veces incorporan varios de ellos en un mismo silenciador.

3.3 Resonador de Escape.

Cuando el gas de escape golpea al gas confinado en el resonador, produce una onda en dirección contraria que tiene frecuencia y amplitud parecida a la que viene desde el motor. Algunos sistemas de escape están equipados con un resonador independiente que se instala más cerca de la cola de escape. Ciertos silenciadores son construidos de manera que su carcaza exterior puede absorber parte de las pulsaciones. En este caso su construcción es más compleja y consiste de una capa metálica más gruesa en el exterior, luego una capa delgada de aislante y enseguida otra capa fina de metal.

Ilustración 4.- Resonador Sónicos y de escape

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4. Tipos de Silenciadores.

4.1 Silenciadores para pequeños espacios y aplicaciones críticas.

Los silenciadores de estilo “disco” son silenciadores de bajo perfil que no sólo se ajustan a cerramientos más pequeños, sino que también son ideales para aplicaciones de energía portátiles. Los modelos de entrada simple están disponibles en grados de atenuaciones residenciales, críticas y de hospital. Los modelos críticos y de hospital también ofrecen un diseño de temperatura de piel baja (LST) para compartimentos y cerramientos excepcionalmente pequeños para mantener el calor radiante al mínimo. La configuración LST incorpora una capa extra de aislamiento térmico/acústico empacado que reduce el calor y el ruido, eliminando la necesidad de envoltorios externos y costosos. Los diseños de acero metalizado tienen un desempeño mucho mayor que la competencia en comparación cara del acero al carbón, ya que ofrece una mayor resistencia a la corrosión, mayores temperaturas máximas de funcionamiento, menor peso y mayor vida útil del silenciador en general.Los silenciadores de disco están disponibles en entrada simple, y en cuatro tipos de modelos de entrada dual

4.2 Silenciadores para Sistemas de Escape existentes.

Los amortiguadores de chispa estándar están diseñados para aplicaciones generales con un mínimo de restricción en el motor, y son ideales como unidades complementarias para sistemas de escape existentes. El peso liviano y tamaño pequeño de los amortiguadores reducen el estrés y la vibración en el resto del sistema de escape. Las aplicaciones típicas incluyen equipo de construcción y registro, maquinaria agrícola, camiones para carretera, equipo de aeropuerto, silvicultura y vehículos militares.

4.3 Silenciadores de Escape de Motor estándar.Los silenciadores de escape de motor estándar están disponibles en los siguientes grados: Grado industrial, residencial, crítico y de hospital, y están disponibles en las siguientes configuraciones:

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Ilustración 5.- Silenciador tipo Disco


Tipo 1: Diseño final de entrada y salida Tipo 2: Diseño final de salida y de entrada de lado Tipo 3: Diseño medio de final de salida y de entrada de lado

4.4 Silenciadores de pérdida de baja presión.

Los silenciadores de pérdida de baja presión están disponibles en dos configuraciones:

Diseño final de entrada y salida Diseño final de salida y de entrada de lado

4.5 Dispositivo para ahorrar espacio.

Las unidades para ahorrar espacio están diseñadas para un montaje de final de salida y de entrada de lado, aunque cualquiera de los extremos puede usarse como entrada. Utilizar un final de entrada y una salida de lado puede resultar en reducciones de atenuación más bajas. Drenajes Para condensados estándar en todas las unidades.

4.6 Amortiguadores de chispas, sin silenciador.

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Ilustración 6.- Silenciador de Escape de motor Estándar

Ilustración 7.- Silenciador de Perdida de baja Presión

Ilustración 8.- Silenciador Tipo Contacto


Los amortiguadores de chispa estándar están diseñados para aplicaciones universales con un mínimo de restricción en el motor, y son ideales como unidades complementarias para sistemas de escape existentes. El peso liviano y tamaño pequeño de los amortiguadores reducen el estrés y la vibración en el resto del sistema de escape. Las aplicaciones típicas incluyen equipo de construcción y registro, maquinaria agrícola, camiones para carretera, equipo de aeropuerto, silvicultura y vehículos militares.

4.7 Silenciadores de amortiguador de chispa, tipo 1.

Los Silenciadores de escape de amortiguador de chispa estándar ofrecen amortiguación de chispa de alta eficacia y atenuación de sonido excepcional en donde los riesgos de incendio deben ser eliminados y el ruido debe ser minimizado. Tres grados de atenuación (industrial, residencial y crítico) están disponibles con eficiencias de amortiguación de chispa que exceden los 95%. El material de calibre pesado y la construcción totalmente soldada ofrecen máxima fuerza y una vida útil de servicio más larga en estas unidades. Las aplicaciones incluyen sets de generador portátil y estacionario, equipo de petróleo, motores de propulsión en barcos y equipo de compresión de gas

4.8 Silenciadores de amortiguador de chispa, tipo 3.

Los Silenciadores de escape de amortiguador de chispa estándar ofrecen amortiguación de chispa de alta eficacia y atenuación de sonido excepcional en donde los riesgos de incendio deben ser eliminados y el ruido debe ser minimizado. Tres grados de atenuación (industrial,

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Ilustración 9.- Amortiguador de Chispa para Silenciadores

Ilustración 10.- Silenciador de Amortiguador de Chispa


residencial y crítico) están disponibles con eficiencias de amortiguación de chispa, conexiones de rosca de tubo macho a través de 3.5″, 4″ en adelante son bridas perforadas 125/150# ASA. Los drenajes son estándar en todos los silenciadores con un diámetro de cuerpo de 9″ en adelante. La configuración de final de salida y de entrada de lado está diseñada sólo para el caudal de entrada de lado. La unidad no puede ser operada en retroceso. Todas las dimensiones son en pulgadas, y exceden el 95%. El material de calibre pesado y la construcción totalmente soldada ofrecen máxima fuerza y una vida útil de servicio más larga en estas unidades. Las aplicaciones incluyen sets de generador portátil y estacionario, equipo de petróleo, motores de propulsión en barcos y equipo de compresión de gas.

4.9 Silenciadores multi-camara serie EN.

Para la mayoría de los motores y las condiciones de funcionamiento, los silenciadores de tipo multi-cámara ofrecen una máxima atenuación de ruido dentro de los límites de contrapresión aceptables. La mayoría de los motores de sobrecarga y aspirados naturalmente necesitan este tipo de silenciador. Muchos motores de turbo carga se silencian mejor también con este diseño.

4.10 Silenciadores Directos serie ET.

Algunos motores requieren contrapresiones de sistema de escape muy bajas para un máximo rendimiento. Muchos motores de turbo carga y algunos motores aspirados naturalmente entran en esta categoría. Para estos motores, silenciadores directos y reactivos

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Ilustración 11.- Silenciador Amortiguado por Chispa tipo 3

Ilustración 12.- Silenciador multi-camara serie EN


están disponibles para ofrecer un silenciamiento adecuado y a su vez impones restricciones insignificantes al caudal de gas de escape.

4.11 Silenciadores de amortiguación de chispa serie ES.

Los puntos de funcionamiento existen donde los riesgos de incendio y los códigos de seguridad requieran la remoción de chispas de gases de escape. Los silenciadores de supresión de chispa de Universal están diseñados para realizar la doble función de amortiguación de chispa y silenciador para todos los motores de combustión interna.

5. Observaciones y Conclusiones.

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Ilustración 13.- Silenciador directo serie ET

Ilustración 14.- Silenciador de amortiguación de chispa serie ES


6. Recomendaciones

7. Bibliografía

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Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la ProducciónMotores de Combustión Interna

Enero del 2014

Escuela Superior Politécnica del Litoral“Impulsando la sociedad del conocimiento”

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