Aprofitar al màxim un sistema d'escapament implica equilibrar tres factors principals que sovint actuen en contra l'un de l'altre. Per aconseguir una bona eficiència de flux, cal mantenir la contrapressió baixa mitjançant corbes suaus i tubs de mida adequada. Quan hi ha massa restricció, la potència disminueix aproximadament un 3-5 % per cada lliura per polzada quadrada addicional (segons una recerca de la SAE del 2022). A continuació, hi ha el problema de la calor. Les temperatures d'escapament poden superar els 1.200 graus Fahrenheit (uns 650 °C), de manera que els fabricants han d'utilitzar materials com l'acer inoxidable 409 i instal·lar escuts tèrmics adequats per evitar danys als components veïns. L'espai és un altre problema completament diferent. Actualment, els vehicles tenen compartiments del motor molt reduïts, cosa que dificulta col·locar correctament els col·lectors i muntar adequadament els silenciadors. I si algú també vol turbocompressió? Això afegirà encara més complicacions, ja que ara caldrà integrar les carcasses de les turbines sense sacrificar la distància al sòl en cap altra part del vehicle.
La majoria de fabricants d'automòbils utilitzen col·lectors de ferro fos quan construeixen vehicles en sèrie, ja que aquests controlen millor el soroll i les vibracions que altres opcions. A més, aquests col·lectors incorporen de fàbrica espais per als catalitzadors i suposen un estalvi d’entre el 40 i el 60 % respecte als col·lectors tubulars. La forma dels conductes ajuda a augmentar el parell a baixes revolucions per minut (RPM), fet que és molt important per a la conducció habitual en carretera. Els entusiastes del rendiment sovint opten pels col·lectors tubulars. Aquests funcionen de manera diferent, generant un efecte de buidatge mitjançant els seus tubs, que extreu els gasos d’escapament més ràpidament, proporcionant aproximadament un 6-8 % més de potència a la franja mitjana, segons estudis recents. Tanmateix, hi ha un inconvenient: els col·lectors tubulars alliberen més calor, pel que cal un sistema de refrigeració addicional. També poden causar problemes durant les proves d’emissions, llevat que els sensors d’oxigen estiguin col·locats exactament en la posició adequada. Per a aquells que treballen amb pressupostos més ajustats, els col·lectors curts encara poden oferir algunes millores sense necessitat de modificar la ubicació de tots els components al motor.
Per determinar quin tipus de flux d’escapament funciona millor, els enginyers analitzen la quantitat d’aire que realment aspira el motor quan genera el parell màxim. El càlcul consisteix a prendre la cilindrada del motor en polzades cúbiques i multiplicar-la per les revolucions per minut, dividint tot seguidament per 3.456. A continuació s’aplica un factor de correcció basat en l’eficiència volumètrica, que normalment oscil·la entre el 75 % i el 85 % per als motors sense sobrealimentació. Vegem un cas pràctic: si tenim un motor de 350 polzades cúbiques que funciona a 5.000 rpm amb una eficiència d’aproximadament l’80 %, necessitaria uns 405 peus cúbics per minut de flux d’aire. També és molt important la mida dels tubs. Si els tubs són massa petits, es genera pressió perquè els gasos no poden escapar prou ràpidament un cop superen velocitats de 350 peus per segon. Per altra banda, si són massa grossos, es perd part de l’efecte beneficiós d’extracció (scavenging) quan les velocitats cauen per sota dels 250 peus per segon. La majoria de mecànics recomanen optar per un diàmetre comprès entre 2,5 i 3 polzades per a configuracions típiques de V8 amb aquests nivells de flux d’aire, per mantenir un flux òptim.
Quan es tracta de sistemes d’escapament, hi ha una diferència bastant notable segons el tipus de motor del qual estem parlant. Prenguem, per exemple, aquells grans motors V8 d’aspiració natural. Aquests necessiten tubs molt més grossos, d’uns 3 a 3,5 polzades de diàmetre, només per gestionar tot l’escapament que produeixen motors amb tanta cilindrada. Un bon exemple és el motor LS3 de 6,2 litres que funciona a 6.500 RPM i que necessita aproximadament 590 peus cúbics per minut de cabal d’aire a través del sistema. En canvi, les coses funcionen de manera completament diferent amb els motors de quatre cilindres sobrealimentats. De fet, el seu funcionament és prou interessant: l’escapament primer impulsa el turbocompressor abans d’abandonar el motor, de manera que, després del turbo, podem utilitzar tubs molt més petits, normalment entre 2,25 i 2,75 polzades. El que fa possible aquesta reducció és que el propi turbo crea un efecte d’estretor, limitant la quantitat d’escapament que realment ha de circular per la resta del sistema. Gràcies a aquesta restricció, els fabricants poden construir sistemes d’escapament molt més compactes sense perdre nivells de potència similars, ja que mantenen deliberadament una pressió més elevada just abans de la turbina, on és més crítica per al rendiment.
Assolir una bona evacuació dels gasos d'escapament depèn en gran mesura de triar correctament les dimensions dels tubs primaris per a l’interval de revolucions per minut (rpm) en què normalment funciona el motor. El diàmetre òptim es basa en trobar l’equilibri entre la velocitat dels gasos d’escapament i la contrapressió. Els tubs més petits augmenten significativament la velocitat, cosa que ajuda especialment a rpm baixes, quan la evacuació és més necessària, però si són massa petits, la contrapressió augmenta excessivament. Per altra banda, els tubs més grans permeten un major cabal d’aire a rpm altes, però sacrifiquen part del rendiment a baixes revolucions. La longitud dels tubs primaris també és important, ja que controla el moment en què arriben les ones de pressió. Els tubs més llargs desplacen efectivament l’efecte òptim d’evacuació cap a intervals de revolucions més baixos. La majoria de persones que apunten a uns 5.000 rpm troben que els tubs d’uns 28 a 32 polzades funcionen prou bé, ja que generen aquestes ones de pressió negativa just quan comencen a obrir-se les vàlvules d’escapament. Tot aquest mecanisme funciona gràcies al principi que Bernoulli va descobrir fa molt de temps sobre com els fluids en moviment ràpid creen zones de baixa pressió que «suggereixen» els gasos adjacents. I no oblideu tampoc la gestió tèrmica: les cobertes de titani ajuden a mantenir la temperatura prou elevada perquè les ones de pressió conservin la seva intensitat i no es dissipin massa ràpidament.
En analitzar diferents mides de tubs primaris, hi ha clares diferències de rendiment que cal tenir en compte. En motors turbo de 2,0 L, vam observar que els tubs primaris de 1,75 polzades van proporcionar un augment d'aproximadament l'11 % del parell a la zona mitjana, al voltant dels 3.500 rpm, en comparació amb els tubs estàndard de 2 polzades. La raó? Una velocitat més elevada dels gasos d'escapament —aproximadament 312 peus per segon en lloc de 265—, cosa que ajuda a eliminar millor els gasos gastats quan les vàlvules es solapen. Tanmateix, les coses canvien a regims més alts. Un cop superats els 5.800 rpm, aquests tubs més grans de 2 polzades redueixen efectivament la contrapressió en uns 4 kPa, el que comporta gairebé un 5 % més de potència màxima. Per tant, per a la conducció habitual en carretera, on la resposta ràpida és el factor més important, els tubs primaris més estrets funcionen millor. En canvi, els vehicles de pista solen rendir millor amb tubs més amples. Una altra cosa que els enginyers han de tenir present: ajustar la longitud també fa la diferència. Acortar només tres polzades aquests tubs de 1,75 polzades va desplaçar la corba de parell gairebé 500 rpm cap amunt, segons les proves realitzades al banc d'assaig el mes passat.
La pressió residual fa referència, fonamentalment, a la resistència que troben els gasos d'escapament quan intenten sortir de la cambra de combustió. Molta gent es confon amb això en referència als sistemes d'escapament. En realitat, mantenir baixa la pressió residual ajuda els motors a funcionar millor, ja que permet que els gasos d'escapament surtin ràpidament, millorant tant la depuració com l'eficiència volumètrica dins dels cilindres. Tanmateix, si hi ha massa restricció —per exemple, per sobre d’uns 40 kPa en motors de potència inferior a 50 kW—, les coses es deterioren ràpidament. La potència disminueix entre un 2 % i un 5 %, el combustible es crema més ràpidament del necessari i aquells gasos d'escapament calents es van escalfant encara més, provocant un desgast accelerat dels components. Els motors sobrealimentats noten especialment aquest problema, ja que una pressió residual elevada obliga les seves turbines a treballar més per arribar a la velocitat de gir adequada. El programa suís VERT va establir aquest límit de 40 kPa com un paràmetre que els enginyers han de vigilar atentament, i les proves mostren que els motors petits són, de fet, més sensibles a aquest problema, ja que les seves vàlvules no obren ni tanquen de forma òptima durant el funcionament. Col·locar components com els silenciadors més lluny del bloc motor i assegurar-se que les canonades no siguin massa estretes ajuda a mantenir la pressió residual controlada sense perdre les avantatges de depuració esmentats anteriorment.
Avui en dia, els catalitzadors gestionen principalment tant les normes d'emissions com el rendiment del motor mitjançant la seva densitat de cel·les, que es mesura en cel·les per polzada quadrada (CPSI). Quan analitzem valors més elevats de CPSI, entre 600 i 900, aquests dispositius s'activen més ràpidament durant les arrancades en fred, fet que ajuda a reduir les emissions nocives inicials. No obstant això, hi ha un compromís, ja que aquest augment del nombre de cel·les genera una contrapressió superior que pot restar entre un 3 i un 5 % de la potència màxima. Per altra banda, els catalitzadors dissenyats per millorar el flux d'aire solen tenir valors de CPSI compresos entre 200 i 400. Aquests models limiten menys significativament el flux d'aire —possiblement amb una millora d'entre un 15 i un 20 %—, tot i que triguen més temps a assolir la temperatura de funcionament. En els vehicles on el rendiment és la prioritat, els enginyers sovint opten per materials de CPSI inferior combinats amb tecnologies de revestiment més noves. Aquest enfocament ajuda a compensar els temps de calentament més lents sense infringir la normativa de l'EPA, assolint un equilibri precís entre responsabilitat ambiental i dinàmica de conducció.
| Densitat cel·lular (CPSI) | Temps d’activació | Impacte de la contrapressió |
|---|---|---|
| 600–900 | Més ràpid (≈45 s) | Alt (7–12 kPa) |
| 200–400 | Més lent (≥90 s) | Baix (3–5 kPa) |
La nova tecnologia de silenciadors està canviant les regles del joc en la reducció del soroll del motor sense afectar el funcionament del sistema d’escapament. Preneu, per exemple, els tubs perforats interiors dels resonadors: estan dissenyats expressament per coincidir amb determinades revolucions del motor, de manera que puguin cancel·lar els sons indesitjats mitjançant un fenomen anomenat interferència destructiva. Això redueix el nivell de soroll entre 8 i 12 decibels, però conserva alhora un flux d’escapament fluid. En el cas dels grans motors V8, que solen ressonar a baixes revolucions, entren en joc càmeres especials de Helmholtz. Aquestes càmeres són molt eficients per eliminar aquell molest soroll greu de baixa freqüència que la majoria de persones troben insoportable. El funcionament d’aquests silenciadors implica estructures internes complexes que guien els gasos d’escapament de forma precisa, assegurant que les pulsacions de pressió essencials arribin als cilindres per netejar-los correctament. Les proves han demostrat que aquests sistemes es mantenen bé dins dels límits legals de soroll (aproximadament 95 dB) i permeten el pas d’un 98 a un 99 % del flux d’escapament comparat amb una configuració d’escapament directe. Què significa això per als conductors? Que els seus vehicles conserven una entrega de potència contundent fins i tot quan s’accelera a fons, exactament allò que els entusiastes de l’automoció esperen dels seus vehicles.
El sistema d’escapament òptim harmonitza les exigències normatives amb el rendiment mitjançant l’aparellament estratègic de catalitzadors de baixa restricció i silenciadors sintonitzats acústicament.
EN