1 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO
CENTRO DE ENGENHARIAS – CE
BACHARELADO EM ENGENHARIA MECÂNICA
LUIZ FELIPPE CARVALHO
SIMULAÇÕES DE GEOMETRIAS DE ESCAPAMENTOS PARA MOTOCICLETAS
MOSSORÓ – RN FEVEREIRO - 2020
2 LUIZ FELIPPE CARVALHO
SIMULAÇÕES DE GEOMETRIAS DE ESCAPAMENTOS PARA MOTOCICLETAS
Projeto apresentado ao Conselho do Curso de Bacharelado em Engenharia Mecânica da Universidade Federal Rural do Semiárido, como requisito final para obtenção da nota referente ao projeto de conclusão de curso.
Orientador: Prof. Dr. Fabricio José Nobrega Cavalcante
MOSSORÓ – RN FEVEREIRO – 2020
5 RESUMO
Ao longo do tempo acreditou-se que o sistema de escape de um motor de combustão interna tinha como única função a liberação de gases da combustão. Porém, estudos recentes mostram que este sistema é de vital importância para o aumento da eficiência volumétrica até o controle da injeção, onde estes parâmetros são alguns que influenciam diretamente no consumo do veiculo. Esses são alguns dos motivos para a importância do estudo de um bom dimensionamento do sistema de escape, pois com o escapamento bem elaborado o motor do veiculo pode trabalhar de forma exemplar. O próprio sistema escape bem projetado faz com que se estenda o seu próprio tempo de vida útil, pois é um sistema que sofre com grande efeito da corrosão, devido aos gases que circulam a temperaturas elevadas e muitas outras interferências que podem levar as ações químicas erosivas do material metálico que compõem o sistema. Através de bibliografias e de simulações computacionais fluidodinâmicas, foi possível obter um melhor conhecimento de qual geometria é a mais indicada para o melhor controle do consumo automotivo. Após os resultados obtidos pode-se perceber a diferença entre o escapamento modelo original e esportivo, sendo o primeiro mais silencioso e indicado para as motocicletas devido ser ideal para rotações baixas e o segundo para obter rotações mais altas, mas em contrapartida geram-se grandes ruídos prejudicais ao ser humano.
6 ABSTRACT
Over time it was believed that the exhaust system of an internal combustion engine had the sole function of releasing combustion gases. However, recent studies show that this system is vitally important for increasing volumetric efficiency until injection control, where these parameters are some that directly influence vehicle consumption. These are some of the reasons why it is important to study a good sizing of the exhaust system, because with the well elaborated exhaust the engine can work in an exemplary way. The well designed exhaust system itself extends its own service life as it is a system that suffers from the great effect of corrosion due to gases that circulate at elevated temperatures and many other interferences that can lead to erosive chemical actions. of the metallic material that make up the system. Through bibliographies and computer simulations of fluid dynamics, it was possible to obtain a better knowledge of which geometry is the most suitable for the best control of automotive consumption. After the results obtained, it is possible to notice the difference between the original and sports exhaust system, the first being quieter and suitable for motorcycles due to being ideal for low revs and the second for obtaining higher revs, but in return large ones are generated harmful noises to human beings.
7 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 9 1.1 PROBLEMÁTICA DO ESTUDO ... 10 1.2 JUSTIFICATIVA ... 10 1.3 OBJETIVOS DO TRABALHO ... 11 1.3.1. Objetivo geral ... 11 1.3.2. Objetivos específicos ... 11 2. REFERENCIAL TEÓRICO ... 11 2.1 ESCAPAMENTOS ... 11 2.2 TIPOS DE ESCAPAMENTOS ... 12 2.2.1. Escapamento esportivo ... 13 2.3 COLETORES ... 14 2.4 CATALIZADOR ... 14 2.5 DETERIORAÇÃO DO ESCAPAMENTO ... 15 2.6 LEGISLAÇÃO ... 15 2.7 FLUIDODINÂMICA COMPUTACIONAL ... 16 2.8 ANSYS ... 16
2.9 MÉTODO ELEMENTOS FINITOS ... 17
3. METODOLOGIA ... 18 3.1 GEOMETRIAS DESENVOLVIDAS ... 18 3.2 PARÂMETROS DA SIMULAÇÃO ... 21 4. RESULTADOS E DISCURSÕES ... 23 4.1 RESULTADOS ... 23 4.2 DISCURSÕES ... 25 5. CONCLUSÃO ... 26 REFERÊNCIAS ... 27
8 LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Exemplo de escape ... 19
Figura 2 - Escape modelo original... 19
Figura 3 - Escapamento modelo esportivo ... 20
Figura 4 - Escapamento modelo aleatório ... 20
Figura 5 - Malha gerada ... 21
Figura 6 - Entrada e saída do fluido ... 22
Figura 7 - Variação da pressão no modelo original ... 23
Figura 8 - Variação da pressão no modelo esportivo ... 23
9 1. INTRODUÇÃO
Segundo Lima (2019), história da motocicleta no Brasil começa no início do século passado com a importação de muitas motos europeias e algumas de fabricação americana, juntamente com veículos similares como sidecars e triciclos com motores. No final de 1910 já existiam cerca de 19 marcas rodando no país, entre elas as americanas Indian e Harley-Davidson, a belga FN de 4 cilindros, a inglesa Henderson e a alemã NSU.
No final de 1930 começaram a chegar ao Brasil às máquinas japonesas, a primeira da marca foi a Asahi. Durante a guerra as importações de motos foram suspensas, mas retornaram com força após o final do conflito. Chegaram NSU, BMW, Zündapp (alemãs), Triumph, Norton, Vincent, Royal-Enfield, Matchless (inglesas), Indian e Harley-Davidson (americanas), Guzzi (italiana), Jawa (tcheca), entre outras. A primeira motocicleta fabricada no Brasil foi a Monark (ainda com motor inglês BSA de 125cm3), em 1951. Depois a fábrica lançou três modelos maiores com propulsores CZ e Jawa, da Tchecoslováquia e um ciclomotor (Monareta) equipado com motor NSU alemão. Nesta mesma década apareceram em São Paulo as motonetas Lambreta, Saci e Moskito e no Rio de Janeiro começaram a fabricar a Iso, que vinha com um motor italiano de 150cm3, a Vespa e o Gulliver, um ciclomotor. O crescimento da indústria automobilística no Brasil, juntamente com a facilidade de compra dos carros, a partir de 1960, praticamente paralisou a indústria de motocicletas. Somente em 1970 o motociclismo ressurgiu com força, verificando-se a importação de motos japonesas (Honda, Yamaha, Suzuki) e italianas. Surgiram também as brasileiras FBM e a AVL. No final dos anos 70, início dos 80 surgiu várias montadoras, como a Honda, Yamaha, Piaggio, Brumana, Motovi (nome usado pela Harley-Davidson na fábrica do Brasil), Alpina, etc. Nos anos 80 observou-se outra retração no mercado de motocicletas, quando várias montadoras fecharam as portas. Atualmente a Honda e a Yamaha dominam o mercado brasileiro, mas aí já deixou de ser história.
Além da fabricação das motocicletas no Brasil, fabricam-se também suas peças e acessórios. Um exemplo de peça que é fabricada no Brasil de vital importância para motocicleta é o escapamento.
Este equipamento imprescindível no veículo, ele é encontrado de diversas formas e preços e além de ser um forte aliado para conter gases que poluem o meio
10 ambiente. Tal equipamento deve ser dimensionado de forma correta, pois sendo mal dimensionado pode roubar potência, prejudicar o funcionamento e causar danos.
1.1 PROBLEMÁTICA DO ESTUDO
O sistema de escape é de vital importância para o aumento da eficiência volumétrica até o controle da injeção, onde estes parâmetros são alguns que influenciam diretamente no consumo do veiculo. Esses são alguns dos motivos para a importância do estudo de um bom dimensionamento do sistema de escape, pois com o escapamento bem elaborado o motor do veiculo pode trabalhar de forma exemplar.
A problemática desse estudo consiste em obter por meio do software ANSYS geometrias de diferentes tipos de escapamentos. Por meio do modelo estudado e desenvolvido no software poderemos averiguar a variação da pressão e através dessa variação determinar o melhor formato de escape para a liberação dos gases da combustão.
1.2 JUSTIFICATIVA
O engenheiro mecânico tem como função busca por melhorias para o projeto em que está trabalhando sendo ele a criação de uma simples ferramenta ou um grande sistema de máquinas. No ramo da engenharia automotiva esta filosofia não é diferente. O aumento da potência de um motor continua a ser um dos principais objetivos de um investigador desta área. Tendo em vista esta responsabilidade, analisando-se um sistema de escape que compõem um veículo de combustão interna presente no cotidiano. O fato de ele ser simples não quer dizer ser uma parte do veículo que seja insignificante, pelo contrario este sistema pode alterar drasticamente no consumo do veículo, mudando apenas a sua geometria ou a forma do mesmo de trabalhar. Tal sistema por muitos anos foi menosprezado devido muitos acharam que sua única função é a liberação de gases da combustão para atmosfera, mas com o passar do tempo foi descoberto sua influência no sistema e passou a ser considerado um tema importante para o aumento do desempenho de um motor.
11 1.3 OBJETIVOS DO TRABALHO
1.3.1. Objetivo geral
Para o Projeto de Conclusão de Curso como um todo, objetiva-se alcançar a melhor forma de se elaborar e simular um modelo de escapamento de motocicletas.
1.3.2. Objetivos específicos
Para se alcançar o objetivo geral é necessário atender os seguintes objetivos específicos:
Preparar a fundamentação teórica para o estudo em questão;
Estudar a melhor forma de criação e simulação de um escapamento, através de um software;
Aprimorar o conhecimento sobre simulações computacionais; Criação e simulação de escapamentos através de software; Avaliar os dados obtidos através das simulações;
2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 ESCAPAMENTOS
Segundo o Portal São Francisco (2019), o escapamento é um condutor que possibilita ao automóvel encaminhar os gases do resultado da explosão para fora do ambiente do motor, além de influenciar no desenvolvimento do motor. Geralmente são produzidos com materiais inoxidáveis devido a forte corrosão causada pelos gases, além de materiais filtrantes. Sua aplicação é mais conhecida em automóveis, mas se dá em uso de qualquer motor a explosão, além de geradores, embarcações e trens.
O escapamento influencia diretamente no desempenho e potência do motor, pois é ele que é responsável pela liberação dos gases, se os gases tiverem dificuldade para sair, o motor trabalhará com menor desempenho, porém se as saídas estiverem muito liberadas, o motor causará esforço desnecessário.
Tem como função reduzir as emissões térmicas na entrada do coletor, o gás da combustão apresenta uma temperatura na ordem de 900 º C. Esse calor apresentará um perigo se estiver sendo liberado diretamente. O contato com o ar e com a superfície da linha do escapamento contribui para baixar a temperatura dos gases.
12 Outra função é diminuir o nível sonoro, pois, as combustões provocadas pelo ciclo do motor produzem barulho. O silencioso atenua esse prejuízo acústico.
Segundo Ribeiro (2010), todos os gases queimados dentro do motor precisam ser expelidos, para liberar espaço no motor para que o próximo ciclo se inicie. Então o sistema de exaustão é muito importante, pois quanto mais gás ele conseguir eliminar, mais espaço haverá para admitir combustível no próximo ciclo.
Em motores 2 tempos, o escapamento representa uma grande parcela no desempenho do motor. A volumetria dele, tal como o formato, as curvas, e a “marmita”, determina muito sobre o comportamento do motor. Isso acontece porque nos motores de 2 tempos, o ciclo de admissão acontece bem próximo ao de exaustão, muitas vezes até acontecendo ao mesmo tempo, então a vazão que o escapamento dá aos gases interfere diretamente na vazão do combustível para dentro do motor, que por sua vez, interfere no desempenho.
Nos motores de 4 tempos, os ciclos são bem separados, e em menor intensidade, o escapamento também influencia o desempenho de um motor. Geralmente os coletores mais finos impedem um pouco a vazão dos gases, permitindo assim que sempre sobre um pouco na câmara de combustão, e no ciclo de admissão, ele fica misturado ao ar e combustível. Isso reduz o desempenho geral, mas mantem o motor sempre cheio, e é uma manobra muito usada para fazer os motores terem mais torque em baixas rotações.
2.2 TIPOS DE ESCAPAMENTOS
Existem no mercado dois tipos de escapamento o projetado para moto de passeio e o projetado para moto esportiva.
A diferença é que o primeiro vem com catalisador - equipamento que filtra o ar - onde retém mais a fumaça e produz menos. Já o escapamento esportivo a fórmula é o contrário. Além de não possuir catalisador, aumenta consideravelmente a saída de fumaça, já que o orifício é bem mais aberto e o cano é maior e a pressão do motor é mais acentuada, forçando a saída de óleo.
Dentre os cuidados que se deve ter com um deles é sempre estar verificando o reaperto da descarga no cabeçote e se a descarga não está furada.
13 2.2.1. Escapamento esportivo
Segundo Ribeiro (2010) a capacidade de expelir gases rapidamente é o que determina o desempenho do ciclo. Quanto mais rápido, maior será o desempenho em altas rotações.
Mas há também de se considerar o contraponto: manter uma pressão mínima dentro do sistema garante respostas mais rápidas em baixas rotações. Então o cano do escapamento não pode ser completamente aberto, pois desta forma ele não criaria a pressão necessária para isso. É por isso que os conjuntos de escapamentos originais geralmente são feitos de tubos finos, e as ponteiras possuem curvas para dificultar a passagem dos gases.
Além do desempenho, também há de se considerar o ruído sonoro: quanto mais aberto for o caminho, mais facilmente os gases vão fluir e a tendência é que o som do mesmo seja mais alto. As ponteiras esportivas possuem um componente chamado “flauta”, que é um tubo com furos, revestidas por um material isolante (geralmente, lã de vidro), que serve para abafar um pouco o som (só o suficiente para não ser insuportável). Nas ponteiras originais, como o caminho que os gases percorrem é bem maior, o som é ainda mais abafado.
Quando modificamos o escapamento da moto, todo o funcionamento do motor é alterado. Os escapamentos esportivos são mais livres do que os originais, e isso faz com que os gases sejam expelidos mais rapidamente, o que melhora o desempenho do motor em alta rotação. O aumento na vazão faz com que o motor seja capaz de queimar mais combustível por ciclo, e se a alimentação de combustível não for ajustada, a mistura ar combustível se tornara pobre, o que pode comprometer o desempenho do moto.
Uma ponteira esportiva combina muito bem com um filtro de ar esportivo, que melhora a vazão de ar para dentro do motor.
O consumo geralmente aumenta quando se coloca um escapamento esportivo, justamente pela necessidade de enriquecer a mistura. Mas em alguns casos, ele pode se reduzir, pois com o escape esportivo fica mais fácil do piloto “ouvir” o motor, e assim ele pode adotar uma condução mais suave e progressiva, o que vai economizar combustível. Mas isso depende do piloto. Em geral, o consumo aumenta.
14 2.3 COLETORES
Ribeiro (2010) menciona que os coletores de escape mais largos são usados para desempenho em altas rotações. O importante neste caso é dar vazão aos gases o mais rápido possível, então quanto menos restritivo for o escape, melhor. Porém, isso muitas vezes é difícil de conseguir, pois por força das leis antipoluição, os canos de escape devem possuir catalisadores de ar que servem para reduzir a emissão de gases poluentes. Além disso, eles devem abafar o barulho, gerando níveis baixíssimos de ruído. Isso só é possível “enforcando” a moto, e por consequência, perdendo eficiência na exaustão.
No coletor de exaustão das motos com injeção eletrônica, geralmente também vai instalado uma sonda lambda, que é um sensor de queima de combustível que envia informações diretamente para a ECU, e esta, por sua vez, ajusta a mistura de combustível para quem a queima seja a melhor possível.
Em motores de mais de 1 cilindro, existe um coletor para cada cilindro. Eles podem levar cada um a uma ponteira de escape separada, como podem se unir em uma única ponteira. Por exemplo, a Yamaha Midnight Star possui 2 cilindros em V, cada um com seu cano de escape completo. Já a GSX-750R, possui 4 cilindros e apenas uma ponteira de escape. Todos os 4 coletores se unem em um único cano, e os gases de todos os cilindros saem pela mesma ponteira (4 em 1). Já a Hayabusa, por exemplo, tem 4 cilindros e duas ponteiras de escape, formando uma configuração 4 em 2.
Geralmente a configuração dos escapes é definida no projeto da moto de acordo com a proposta. Em motos onde o compromisso com a redução de peso é grande, usa-se apenas uma ponteira de escape. Em motos onde a vazão é mais importante, usam-se mais ponteiras.
2.4 CATALIZADOR
Portal São Francisco (2019), o princípio do catalisador é muito importante para os construtores automobilísticos. Há sempre a preocupação com o meio ambiente e com as normas internacionais em matéria de despoluição.
O catalizador é destinado a reduzir, a catalisar os gases nocivos resultantes da combustão: monóxido de carbono, hidro carbono e óxido de nitrogênio. A catalisação é um fenômeno que, por meio de um catalisador, favorece as reações químicas.
15 O catalisador é constituído de uma caixa de aço inoxidável, de um isolante térmico e de um suporte em ninho de abelha (colmeia) impregnado de metais preciosos, tal como platina e radio (ródio).
O Princípio de funcionamento é que em contato com os metais preciosos, uma reação química transforma os poluentes em gases menos tóxicos. As matérias ativas (platina e ródio) servem unicamente para melhorar essa reação química, de onde vem o nome catalisador.
2.5 DETERIORAÇÃO DO ESCAPAMENTO
“A falta de manutenção do sistema de exaustão pode causar ruídos excessivos, aumentar consumo de combustível e até corrosões na carroceria do veículo, além de lançar maior volume de poluentes ao meio ambiente”, afirma o consultor da Tuper Escapamentos e Catalisadores, Salvador Parisi.
O especialista revela que escapamento em condições inadequadas pode levar à multa e à reprovação na inspeção veicular ambiental, porém, o mais importante é a questão da saúde das pessoas.
Ao observar ruído no escapamento é hora de fazer revisão no sistema de exaustão. “O catalisador pode estar quebrado, silenciosos furados ou pode ser algum encaixe defeituoso entre as partes”, esclarece. Segundo o consultor, trajetos curtos acumulam água na tubulação e nos silenciosos, causando corrosão.
Para garantir o funcionamento adequado do sistema é importante fazer avaliações periódicas. “É preciso ficar atento, pois a má qualidade do combustível, lombadas e ondulações no asfalto e até rodar trajetos curtos podem afetar a vida útil das peças”, ressalta Parisi (RONDONIA, 2013).
2.6 LEGISLAÇÃO
A legislação é uma parte polêmica do assunto. Pela lei, você simplesmente não pode alterar o escapamento da sua moto, pois isso vai contra o que dispõe o Art. 98 do CTB – Alterar as características originais do veículo. Além disso, usar uma ponteira esportiva que faz mais barulho do que a original também pode configurar uma infração, Art. 230 do CTB, Inciso XI – Conduzir o veículo com descarga livre ou
16 silenciador de motor à explosão defeituoso, deficiente ou inoperante. É uma infração grave, 5 pontos na carteira, além de multa.
Na prática, o que acontece é que as pessoas usam essas ponteiras em suas motos sem maiores problemas. A polícia não costuma fiscalizar os escapamentos, e há quem use ponteiras esportivas há anos sem nunca ter tido problemas. Mas há casos isolados de pessoas que já tiveram problemas. Ter a moto apreendida é sempre uma dor de cabeça, então se você não quer dor de cabeça, nem quer ficar dando explicações para polícia, o melhor mesmo é usar o escape original.
2.7 FLUIDODINÂMICA COMPUTACIONAL
Segundo Kessler (2016) a Fluidodinâmica Computacional ou CFD (do inglês Computational Fluid Dynamics) é a área do conhecimento que trata da simulação numérica de escoamentos de fluidos, transferência de calor e fenômenos relacionados, como reações químicas, combustão, aeroacústica etc. O CFD teve origem a partir da combinação de duas disciplinas: mecânica dos fluidos e cálculo numérico. As equações que regem o escoamento de fluidos têm origem na mecânica dos fluidos e podem ser resolvidas por meio de diferentes métodos numéricos.
Os métodos mais utilizados são o método das diferenças finitas, o método dos elementos finitos e o método dos volumes finitos, sendo este último o mais utilizado em CFD. Com esses métodos, troca-se o domínio contínuo por um domínio discreto, onde um conjunto de volumes de controle é utilizado para representar o domínio original.
Na atualidade existem diferentes ferramentas que auxiliam os profissionais de engenharia a realizar análises de Fluidodinâmica Computacional. Alguns são pacotes multifísicos, como é o caso do ANSYS, que combina a simulação de propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e fluido-mecânicas em uma única interface e permite desenvolver um projeto completo, do desenho à simulação e análise dos resultados.
2.8 ANSYS
Segundo Leinat (2018) o ANSYS foi criado por Swanson que é formado em Engenharia Mecânica pela Universidade de Cornell. E ao fim dos trabalhos para o governo ele fundou uma empresa chamada ANSYS que se tornou um gigante do ramo de softwares de simulação.
17 A ANSYS hoje possui software de simulação computacional para as mais variadas aplicações, incluindo dinâmica dos fluidos, eletromagnetismo e cálculo estrutural. O grande destaque da ANSYS são os seus constantes desenvolvimentos e melhorias que facilitam o uso do software como os recém-lançados ANSYS AIM e Discovery Live.
Após a popularização dos computadores ao fim da década de 60, os softwares de Elementos Finitos se espalharam nas mais variadas aplicações. Juntamente inúmeras empresas surgiram baseadas nos trabalhos dos percursores dos estados anteriores. Alguns softwares livres (Open Source) foram desenvolvidos e distribuídos. Muitos deles são utilizados hoje dia não só por estudantes, mas também por grandes corporações que buscam soluções especificas uma vez que os softwares livres permitem a reedição do código. De lá pra cá foi uma verdadeira explosão de diferentes softwares baseados no Método dos Elementos Finitos.
2.9 MÉTODO ELEMENTOS FINITOS
Leinat (2018) menciona que na última década uma enorme quantidade de softwares tem auxiliado cada vez mais projetista e engenheiros a solucionar os mais complexos problemas e neste aspecto os softwares que utilizam o método dos Elementos Finitos tem um destaque especial. A aplicação deste método na engenharia consiste em sincretizar o contínuo, que por sua vez se resume em dividir uma geometria complexa em muitas outras geometrias menores de menor complexidade. E estas pequenas geometrias somadas representarão uma forma aproximada da geometria original.
O software de Elementos Finitos “quebra” o modelo de geometria complexa em inúmeras geometrias menores com forma conhecida, como um hexaedro ou tetraedro (esses são os dois modelos de elementos sólidos mais utilizados para simulações estruturais). O modelo matemático fica encarregado de resolver cada um desses elementos individualmente no primeiro momento e em seguida “une” todos eles para que assim seja possível obter o resultado.
18 3. METODOLOGIA
A revisão bibliográfica consistiu em destacar no presente estudo os aspectos relevantes para a melhor compreensão do objetivo como um todo. Dessa forma, a revisão destina-se a contextualizar todos os aspectos que serão considerados ao longo dos testes.
A metodologia a ser utilizada para a obtenção dos resultados foi o teste através do software ANSYS, além do conhecimento teórico obtido. Então foi seguido um passo a passo para se obtiver tais resultados:
1º. Geometrias a serem desenvolvidas; 2º. Parâmetros utilizados;
3º. Geração de malha através do software; 4º. Determinação de forma da atuação; 5º. Analises dos resultados;
3.1 GEOMETRIAS DESENVOLVIDAS
Além do dimensionamento correto do tubo de escape, a sua geometria de fabricação também influencia na eficiência volumétrica do gás até a saída para a atmosfera. Por isso, propõem-se aqui três modelos de geometria baseados em escapamentos reais. Os modelos foram desenvolvidos em computador no Solidworks 2017, licença de estudante. O silenciador foi omitido do desenho a fim de mostrar a finalização do escape, assim desconsideramos seu efeito no fluxo de gás (visto que os silenciadores são projetados para atuar principalmente nas ondas sonoras e não interferir significativamente no fluxo dos gases no tubo de escape). Para que as propostas pudessem ser comparadas com êxito, as mesmas foram desenhadas com dimensões semelhantes no tubo principal. As propostas tiveram suas dimensões baseadas em escapamentos reais e possuem dimensões de 2.8 cm de diâmetro interno, 3.4 cm de diâmetro externo, 41.0 cm de comprimento e 5.0 cm de raio de curvatura no tubo principal. Já na parte do megafone, foram elaborados três modelos distintos que também foram baseados em modelos reais. Na Figura 1 mostra o que seria o megafone e tubo principal.
19 Figura 1 - Exemplo de escape
Fonte: ROCHA, 2011
Na Figura 2,3 e 4 mostram os três tipos de megafones, onde junto com o tubo principal será comparados em simulações através do software ANSYS, essa comparação tem o intuito de predeterminar qual configuração seria a opção mais viável a ser selecionada para executar sua função com maior eficiência.
Na Figura 2 o megafone do escape modelo original possui as seguintes dimensões 4,3 cm de diâmetro no inicio do megafone e 9,5 cm no final, com comprimento de 50 cm. O orifício de saída possui diâmetro interno de 1,6 cm e 1,9 de diâmetro externo.
Figura 2 - Escape modelo original
20 Na Figura 3 temos o megafone do escape modelo esportivo possui as seguintes dimensões 6,5 cm de diâmetro no inicio do megafone e 7,5 cm no final, com comprimento de 44 cm. O orifício de saída possui diâmetro interno de 3,2 cm e 3,5 de diâmetro externo.
Figura 3 - Escapamento modelo esportivo
Fonte: PRÓPRIO AUTOR, 2020.
Na Figura 4 temos o megafone do escape modelo aleatório possui as seguintes dimensões 4,7 cm de diâmetro no inicio do megafone e 10,8 cm no final, com comprimento de 41 cm. O orifício de saída possui diâmetro interno de 1,6 cm e 2 de diâmetro externo.
Figura 4 - Escapamento modelo aleatório
21 3.2 PARÂMETROS DA SIMULAÇÃO
O método de avaliação selecionado foi o de simulação CFD (Fluidodinâmica Computacional). A seleção desse método tem o intuito de minimizar o tempo, levando em consideração que outro método a ser utilizado seria o de ensaio experimental.
Segundo Domschke (1963) os gases possuem uma pressão em torno de 3 a 5 bar. Segundo Blair (1999) à temperatura de saída do cilindro, ou seja, no início do tubo de escape, pode variar entre 400 a 600 ºC.
Inicialmente, para o procedimento de simulação, deve-se determinar o domínio a serem estudados, os materiais a serem utilizados e, em consequência, as propriedades do mesmo. Neste caso, o material do cano de escape utilizado foi Aço inoxidável e o gás utilizado foi o ar como gás ideal com temperatura de 500 °C e pressão de 5 bar.
Após a elaboração dos escapamentos através do Solidworks e determinação dos parâmetros da simulação, vem à geração da malha como mostra a Figura 5.
A malha gerada para a primeira simulação Figura 2 tem por volta de 62180 nós, 305487 elementos sólidos. Para a segunda simulação Figura 3 têm 12349 nós e 58173 elementos sólidos e para terceira simulação Figura 4 tem 14657 nós e 69978 elementos sólidos.
Figura 5 - Malha gerada
Fonte: PRÓPRIO AUTOR, 2020.
Depois de determinar os parâmetros da simulação e geração da malha deve-se determinar a forma de atuação e descrição das condições de contorno utilizada. Essas condições seriam as características do fluido na entrada e na saída do domínio estudado que no caso é a entrada no tubo principal e saída pelo megafone. Como mostra a Figura 6:
22 Figura 6 - Entrada e saída do fluido
Fonte: PRÓPRIO AUTOR, 2020.
O sistema pode ser descrito de forma turbulenta. O modelo de turbulência selecionado para a análise foi o k-epsilon, modelo recomendado pelo software para estudos de escoamento em tubulações.
23 4. RESULTADOS E DISCURSÕES
4.1 RESULTADOS
A avaliação dos resultados obtidos foi realizada de tal maneira a selecionar a configuração que contribuiria para uma maior eficiência do sistema de escapamento de uma moto. Ao se realizarem as simulações com os modelos e parâmetros propostos anteriormente, foram obtidos os seguintes gradientes de pressão ao longo dos escapes, mostrados nas figuras 7, 8 e 9.
Figura 7 - Variação da pressão no modelo original
Fonte: PRÓPRIO AUTOR, 2020.
Figura 8 - Variação da pressão no modelo esportivo
24 Figura 9 - Variação da pressão no modelo aleatório
Fonte: PRÓPRIO AUTOR, 2020.
Com esses resultados obtidos através do Ansys obtiveram-se os valores de vazão volumétrica – conforme mostrados na tabela 1 – sendo assim possível comparar os modelos desenvolvidos e determinar qual seria o mais viável para a situação estudada.
Tabela 1 – Vazão Volumétrica Vazão Volumétrica ( ⁄ )
Escapes Entrada Saída
Mod. Original 0,2324 0,1869
Mod. Esportivo 0,2765 0,688
Mod. Aleatório 0,2633 0,2168
25 4.2 DISCURSÕES
A capacidade de expelir gases rapidamente é o que determina o desempenho do ciclo do motor. Quanto mais rápido, maior será o desempenho em altas rotações. Pois mais gás ele consegue eliminar e mais espaço haverá para admitir combustível no próximo ciclo. Caso os gases tiverem dificuldades para sair o motor trabalhara com menor desempenho, entretanto se as saídas estivem muito liberadas, o motor causara esforço desnecessário.
Analisando os resultados de vazão o que possuiu maior vazão foi o modelo esportivo, o que já era de se esperar, pois o mesmo possui maior diâmetro na saída do megafone. Já que o orifício é bem mais aberto aumenta consideravelmente a saída de fumaça. Os gases são expelidos rapidamente, o que melhora o desempenho do motor em alta rotação. Esse aumento na vazão faz com que o motor seja capaz de queimar mais combustível por ciclo. Além do desempenho, também há de se considerar o barulho: quanto mais aberta for a saída, mais facilmente os gases vão fluir e a tendência é que o som do mesmo seja alto.
O escapamento modelo original foi oque possuiu o menor valor de vazão. Geralmente este tipo de escape impede um pouco a vazão dos gases para que sempre sobre um pouco na câmara de combustão e no ciclo de admissão ele fica misturado ao ar e combustível. Isso reduz o desempenho geral, mas mantem o motor sempre cheio e é uma manobra muito usada para fazer os motores terem mais torque em baixas rotações.
Manter uma pressão mínima dentro do sistema garante respostas mais rápidas em baixas rotações. Então o escapamento não pode ter uma saída completamente aberta, pois desta forma ele não criaria a pressão necessária para isso. É por isso que os escapamentos modelos originais geralmente são feitor de tubos finos. Como o caminho dos gases pelos escapamentos modelos originais é bem maior, o som é ainda mais abafado do que em relação aos modelos esportivos.
26 5. CONCLUSÃO
Com o estudo em mãos, pudemos perceber que, apesar de existirem diversos métodos para dimensionar o escape, a via experimental ainda é a mais eficiente. A razão disto é que são inúmeras as variáveis que influenciam o dimensionamento.
Além disso, na parte final do escape um silenciador adequado deve ser eleito, pois a não atenuação das intensas ondas de pressão no tubo de escape pode causar danos irreversíveis ao sistema auditivo humano.
Utilizando simulações fluidas computacionais, em modelos de descargas para motos, foi possível determinar que, das propostas de cano de escape mostradas anteriormente, o modelo esportivo obteve o maior valor de vazão e o modelo original o menor. Através das informações apresentadas neste trabalho qual seria o mais adequado para uma motocicleta?
Se quiser alta vazão dos gases para que o motor possa trabalhar a altas rotações e não se importar com ruídos excessivos então se deve utilizar o esportivo. Esse aumento na vazão faz com que o motor seja capaz de queimar mais combustível por ciclo, e se a alimentação não for ajustada, ela se tornará pobre, o que pode comprometer um pouco o desempenho. Em relação ao nível de ruído pode transgredir as leis ambientais e render multa ao proprietário do veículo. No cotidiano este tipo de modelo é mais consumido pelos jovens, pois os mesmo gostam de dar um toque de esportividade á motocicleta.
Ao contrario de outras peças e acessórios, o escapamento embeleza a moto, mas a estética do ruído define a venda. Devido a isso muitos consumidores optam pelo modelo original por ser mais silencioso. Este modelo pode ter apresentado uma vazão menor de gases do que em relação ao modelo esportivo. Entretanto ele é o mais adequado para manter uma pressão mínima dentro do sistema garantindo respostas mais rápidas em baixas rotações, pois caso o escapamento tenha uma grande abertura de saída dos gases ele não criaria a pressão necessária.
Então é aconselhável que opte pelo modelo original por ele ser silencioso e não mudar o funcionamento do motor. Mas atente-se a manutenção no sistema de escape, pois alguns detalhes podem consumir parte da potência do motor e podem deixar a motocicleta com mau funcionamento. Exemplos disso pontos amassados no escapamento, furos no escapamento e ferrugem interno.
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