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CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO DE CASO: VIABILIDADE DE APROVEITAMENTO DOS GASES EXPELIDOS PELO ESCAPAMENTO DA MOTO PARA O INSUFLAME NTO DE
CÂMARA DO PNEU
MANAUS-AM
2015
2
CHARLLES JANSEM DE SOUZA MENDES
ESTUDO DE CASO: VIABILIDADE DE APROVEITAMENTO DOS GASES EXPELIDOS PELO ESCAPAMENTO DA MOTO PARA O INSUFLAME NTO DE
CÂMARA DO PNEU
MANAUS-AM
2015
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Mecânica ao Centro Universitário Luterano de Manaus – CELUM/ULBRA.
Professor Orientador: Prof. Msc. Frederico Cesarino.
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Autor: Charlles Jansem de Souza Mendes
Título : Estudo de caso: Viabilidade de aproveitamento dos gases expelidos pelo escapamento da moto para o insuflamento de câmara do pneu.
Natureza: Trabalho de Conclusão de Curso de Bacharel em Engenharia Mecânica.
Instituição: Centro Universitário Luterano de Manaus, Universidade Luterana do
Brasil.
Aprovado em : _______/______/______.
BANCA EXAMINADORA:
_______________________________________
Professor Msc.: Frederico Cesarino (Orientador) CEULM / ULBRA
_______________________________________
Professor Msc.: Saulo Maia Marques. CEULM / ULBRA
_______________________________________
Professor Msc.: João Cláudio Soares (Coordenador do Curso de Engenharia Mecânica)
CEULM / ULBRA
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AGRADECIMENTOS
É fundamental e me faz ser assim externar meus agradecimentos ao fim de mais
uma jornada de aprendizagem a pessoas que de forma direta ou indireta
contribuíram para que fosse realizada esta etapa.
O DEUS todo poderoso que me sustentou com braço forte me mantendo firme com
os pés no chão e derramando suas graças infinitas no seio da minha família.
À minha mãezinha Orlandina, pequena no tamanho, porém gigante e guerreira no
pensamento de educar seus filhos.
À minha companheira, amada e linda esposa Ana Clissia, principal responsável por
eu estar finalizando mais esta etapa, além de ter me presenteado com duas joias
preciosas, Jean Víctor e Ana Beatriz, obrigado meus amores!
Ao meu padrasto Carlos, meu pai Armindo e meus irmãos e sobrinhos, aos meus
sogros Ana e Luiz, sempre ajudando de uma forma ou outra, obrigado mesmo.
Aos colegas e Amigos que conquistei nestes cinco anos de academia e aos
professores e mestres que contribuíram generosamente com seus conhecimentos.
Enfim, nessa hora existe muito a agradecer por finalizar esta graduação, sei que a
partir de agora minha avaliação não será mais por notas, mas sim por minha conta e
risco, minha aprendizagem e capacidade técnica como Engenheiro Mecânico.
5
EPÍGRAFE
“Quem me segurou foi Deus com seu amor de
Pai, Quem me segurou foi Deus,
Quem cuidou de mim foi Deus quando eu chorei
demais,
Quem amparou foi Deus...”
Nelsinho Corrêa
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RESUMO
Todos os aspectos caracterizados de suma importância no sentido de agregar
conhecimento a engenharia mecânica, bem como, em todos seus direcionamentos
torna cada vez mais amplo o campo de atuação de seus engenheiros. No entanto é
imprescindível a difusão deste meio para assim fortalecer e maturar conceitos com o
intuito de prover benefício à comunidade como um todo. O estudo de caso da
viabilidade de aproveitamento dos gases expelidos do escapamento da moto para o
insuflamento da câmara do pneu foi pensado, no sentido de tornar possível a
rodagem do pneu da moto, estando o mesmo parcialmente perfurado, e tendo em
vista a ausência de pneu reserva para este veículo. Sendo assim pesquisas para o
planejamento de execução dos passos para o processo em questão foram feitas
com o intuito de selecionar o tipo de pneu, câmara e componentes do dispositivo
para insuflamento – DI para assim obter a montagem e aplicação deste DI em
ensaios de insuflação da câmara de pneu. Também está contida neste trabalho a
análise dos resultados obtidos nestes ensaios dando ênfase na segurança do piloto
no ato do processo de insuflamento no que diz respeito a possível inalação do gás e
até mesmo queimadura na péle do piloto.
Palavras-chave: Pneu, câmara, dispositivo.
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ABSTRACT
All featured aspects of paramount importance to aggregate knowledge in mechanical
engineering as well as in all its directions becoming wider to their engineers playing
field. However it is essential to spread this medium so as to strengthen and mature
concepts in order to provide benefit to the community as a whole. The case study of
the use of viability of motorcycle exhaust gases expelled for inflating the tire chamber
has been designed in order to make it possible for motorcycle tire tread, with the
same partially perforated, and in view of the absence of tire reservation for this
vehicle. Therefore research for the steps execution planning for the process in
question were made in order to select the type of tire, camera and device
components for insufflation - DI in order to obtain the construction and application of
this DI inflation trials tire camera. Also in this work the analysis of results obtained in
these tests with an emphasis on rider safety in the act of inflating process with regard
to possible inhalation of gas and even burning in the pilot's skin.
Keywords: tire, camera, device.
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Tricíclo.........................................................................................................16
Figura 2: Pistão no interior do cilindro........................................................................18
Figura 2.1: Pistão no interior PMS/PMI......................................................................19
Figura 2.2: Exaustão dos gases após queima...........................................................19
Figura 3: Manômetro de calibração de pneus............................................................25
Figura 3.1: Quatro tempos do motor alternativo.........................................................26
Figura 4: Ciclo Otto real ideal.....................................................................................29
Figura 5: Estrutura de um pneu sem câmara.............................................................32
Figura 5.1: Estrutura de um pneu sem câmara e com câmara..................................32
Figura 5.2: Perfil do aro..............................................................................................33
Figura 6: Esvaziamento do pneu................................................................................34
Figura 6.1 Pneu perfurado..........................................................................................34
Figura 6.2: Em destaque o motor e escapamento de uma moto...............................35
Figura 7: DI a montar..................................................................................................37
Figura 7.1: DI montado...............................................................................................37
Figura 8: Medição do tubo de escape 1.....................................................................38
Figura 8.1: Medição do tubo de escape 2..................................................................38
Figura 8.2: Preparação para ensaio de insuflamento................................................38
Figura 8.3: Câmara de borracha após insuflamento..................................................39
Figura 9: Teste de compressão no cilindo..................................................................42
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1: MFI 4Tz 4 cilindros.....................................................................................26
Tabela 2: Transformações termodinâmmicas............................................................28
Tabela 3: Material utilizado nos experimentos...........................................................36
Tabela 4: Especificações de pressão dos pneus.......................................................40
Tabela 5: Especificações do fabricante......................................................................40
Tabela 6: Comparativo de calibragem de pneus........................................................44
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
SENAI – AM : SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL –
AMAZONAS.
MCI: MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA.
FA: FLUIDO ATIVO.
PMI: PORTO MORTO INFERIOR.
PMS: PORTO MORTO SUPERIOR.
PROMOT: PROGRAMA DE CONTROLE DA POLUIÇÃO DO AR POR
MOTOCICLOS E VEÍCULOS SIMILARES.
MFI: MOTORES DE IGNIÇÃO POR FAÍSCA OU OTTO
INMETRO: INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, QUALIDADE E
TECNOLOGIA.
ISO: INTERNACIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION.
RPM: ROTAÇÃO POR MINUTO.
DI: DISPOSITIVO PARA INSUFLAMENTO.
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LISTA DE SÍMBOLOS
ρ: MASSA ESPECÍFICA
CO: MONÓXIDO DE CARBONO
CO2: DIÓXIDO DE CARBONO
°K: GRAUS KELVIN
°C: GRAUS CELSIUS
N2: DIÓXIDO DE CARBONO
ɣ: CALOR ESPECÍFICO
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................... 13
2. REFERENCAL TEÓRICO .............................................................................. 14
2.1. A HISTÓRIA ................................................................................................ 15
2.2. A POSIÇÃO DO PISTÃO NO INTERIOR DO CILINDRO ............................ 18
2.3. MISTURA DOS GASES NA CÂMARA DE COMBUSTÃO .......................... 19
2.4. CICLO TERMODINÂMICO .......................................................................... 25
2.5. SISTEMA TERMODINÂMICO.......................................................................27
2.6. FUNCIONAMENTO DAS VÁLVULAS DE ADMISSÃO E EXPANSÃO ........ 29
2.7. CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÃO DOS PNEUS .................................... 31
2.7.1. CARACTERÍSTICAS DO PNEU E ARO....................................................32
2.8. ESCOAMENTO DO GÁS NA TUBULAÇÃO DE ESCAPE DA MOTO......... 34
3. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO .......................................................... 36
3.1. DESCRIÇÃO DOS MATERIAIS UTILIZADOS NOS EXPERIMENTOS.......37
3.2. CARACTERÍSTICAS DA CÂMARA DE BORRACHA .................................. 39
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................... 43
5. CONCLUSÃO ................................................................................................. 44
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................. 46
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1. INTRODUÇÃO
Este trabalho possui, como objetivo principal, ampliar a mobilidade de
veículos automotores de duas rodas quando estes, por algum motivo, estiverem em
condições adversas de funcionamento relacionado aos pneus vazios, mas de forma
provisória, ou seja, quando as motos estiverem com um de seus pneus perfurados
devido a sinistros que por ventura venham ocorrer em seu trajeto. Esta ampliação de
mobilidade se dá por meio da confecção de um dispositivo para insuflamento (DI), o
qual se utiliza dos gases de escapamento do veículo para o insuflamento da câmara
de ar. Neste contexto surgiu a condição de verificar o aproveitamento dos gases que
são expelidos do escapamento de motocicletas para o insuflamento da câmara do
pneu deste veículo, tendo em vista a problemática de que este tipo de automóvel
não dispõe de pneu reserva. Como objetivos específicos, tem-se o estudo do
aproveitamento dos gases de combustão finalidades diversas, o estudo das
condições de temperatura e pressão dos gases de combustão na aplicação
desenvolvida neste trabalho, e o estudo das condições físicas das câmaras de pneu
dos veículos que recebem os gases de combustão como insuflamento.
Com isso é feita a abordagem da necessidade de existência deste dispositivo
sabendo que é comum perceber nas ruas, vários condutores de motocicletas em
condição inadequada de dirigibilidade, e que até os dias atuais, as montadoras de
motocicletas ainda não desenvolveram nenhum dispositivo que viesse atender esta
peculiaridade, mas que de fato já foram criadas alternativas para esta situação
incômoda, e que, no entanto, ainda não surtiram o efeito desejado.
Há algum tempo foi desenvolvido um tipo de spray que na ocasião tornava-se
capaz de realizar um reparo superficial nos pneus e automaticamente após esse
reparo, o mesmo pneu pode ser inflado novamente e voltar a circular com a moto.
Porém, de acordo com o engenheiro de uma empresa de pneus, o produto deve ser
utilizado apenas em emergências, e nunca como elemento preventivo. “Os produtos
que prometem impedir furos podem trazer problemas ao balanceamento das rodas,
devido à imperfeita distribuição do adesivo na superfície interna do pneu ou câmara,
ocasionando o desbalanceamento da roda. É viável a utilização dos reparadores até
a chegada a uma oficina de pneus de confiança, onde o profissional poderá
desmontar e analisar o pneu. A desmontagem é necessária para a verificação
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estrutural do pneu - que pode ter sido danificado com a rodagem sem ar. Outro
ponto a observar é o bico de inflar: se o produto acumular no bico, pode ocasionar
mau funcionamento desse importante componente”. (ISMAEL BAUBETA, 2011).
De fato a afirmação é consistente, e provavelmente acontecerá o mesmo com
o dispositivo proposto neste projeto, mas com a ressalva de que o produto ou fluido
que será aproveitado, já é disponibilizado na própria moto que é o resto da queima
do combustível, neste caso o gás.
Como metodologia de pesquisa para a confecção do DI, inicialmente foi
realizada pesquisa bibliográfica referente aos temas Termodinâmica; Pneumática;
Materiais de Construção e materiais plásticos. Em seguida, a parte de
desenvolvimento foi realizada nas instalações do SENAI – AM em dias interpostos
durante alguns meses, com a utilização dos recursos provenientes da própria
instituição de ensino, neste caso a moto, e com o auxílio técnico do instrutor do
curso de motocicletas, Marlison da Silva.
Quanto ao princípio de funcionamento deste dispositivo, este está
basicamente ligado a uma conexão na saída do escapamento à câmara da moto, e
que no decorrer do trabalho serão externadas as peculiaridades do processo em
questão quanto à funcionalidade, armazenamento e características específicas
deste gás.
2. REFERENCAL TEÓRICO
No contexto generalizado do tema proposto se inclui de forma necessária a
história desde os primórdios do veículo em questão, neste caso a motocicleta que
passou por várias modificações até chegar ao patamar encontrado nos dias atuais,
ou seja, desde o aprimoramento da roda até a adequação com o motor de
combustão interna abrangendo também o posicionamento dos pistões no interior do
cilindro quanto ao ponto morto superior e ponto morto inferior; funcionamento das
válvulas de admissão e expansão dando origem enfim ao trabalho desenvolvido e
disposto a seguir.
15
2.1. A HISTÓRIA
No século XIX, em 1820, o escocês Kirkpatrick McMillan obteve a tracção da
roda traseira. Foi a partir dessa invenção que os ciclistas puderam movimentar-se
sem colocar os pés no chão. Depois de muitos anos, em 1861, os franceses Pierre
Michaux, um ferreiro, e seu filho Ernest Michaux, na época com apenas quatorze
anos, construíram o velocípede, uma bicicleta com pedais (no formato da de
McMillan) adaptados à roda dianteira, iniciando a produção para venda. Em 1866,
Bin Chun chegou em Paris. O chinês, que já havia percorrido a Inglaterra e a
Alemanha atrás de informações da bicicleta, levou suas anotações para casa e em
apenas três décadas o veículo tornou-se a principal alternativa de transporte na
China e na Índia. A partir disso, houve inovações como a do inglês James Starley.
Batizada de Rover, essa bicicleta trazia rodas do mesmo diâmetro, chassi feito em
tubos de aço, guiador integrado ao suporte da roda dianteira e os freios eram a
tambor. Os pedais acoplados a uma engrenagem, movimentavam uma corrente de
transmissão que gerava a força motriz da roda traseira.
Desde então foram surgindo outras ideias e desenvolvimento para este
veículo, como por exemplo, o aperfeiçoamento da roda, que na época era de
madeira, ferro ou borracha maciça que por sua vez comprometia a diribilidade,
sendo que em 1887, essa necessidade foi superada através do veterinário escocês
John Boyd Dunlop imaginou uma especie de sobrerroda que seria um tubo de
borracha oco, preso à roda por meio de uma tela de brim e enchido com uma bomba
de ar. Nascia o pneu. Na França, os irmãos André e Édouard Michelin contribuíram
para o rápido aperfeiçoamento dos pneus.
Em 1867, através de norte anericano Sylvester Howard Roper, surgia à
invenção e desenvolvimento de um motor de cilindros a vapor, este acionado por
carvão, nascia então a primeira moto, pois se tratava de uma bicicleta com motor a
vapor. Em 1895, Roper desenvolveu uma versão aperfeiçoada da bicicleta a vapor.
Na época, as motocicletas com motores a combustão estavam se tornando viáveis,
e a experiência de mais de 30 anos credenciava Roper a fazer o mesmo com os
propulsores a vapor. Foi quando o inventor apresentou um veículo melhor, com mais
autonomia, reaproveitando o carvão em um compartimento fechado, que, ao mesmo
16
tempo, reduzia o mau cheiro. Em 1º de junho de 1896, Roper decidiu que seu
engenho estava pronto para ser exibido ao público.
Contudo, a história aponta um engenheiro mecânico chamado Gottlieb
Wilhelm Daimler como o inventor da motocicleta. Wilhelm Maybach e Gottlieb
Daimler construíram uma moto com quadro e rodas de madeira composto com um
motor de combustão interna em 1885. Sua velocidade máxima era de 18 km/h e o
motor desenvolvia 0,5 (meio) cavalo de potencia.
Nos dias atuais e depois de várias outras atualizações no mesmo veículo,
chegou-se então nas motos que podemos visualizar transitando nas ruas.
Motores de combustão interna ou motores a explosão são máquinas que
transformam energia química em trabalho mecânico. A combustão é um processo
químico exotérmico de oxidação de um combustível que faz parte destes motores.
Para que o combustível reaja com o oxigênio do ar necessita de algum agente que
provoque o início da reação que por sua vez denomina-se ignição que provoca este
início da combustão. Sendo estes fundamentos encontrados na obra como: Motores
de combustão interna 1 (FRANCO BRUNETTI, 2012), assim como o princípio de
funcionamento dos pistões em seu PMS e PMI, ou seja, ponto morto superior e
ponto morto inferior.
Onde também é indispensável à verificação e análise do posicionamento do
pistão no interior do cilindro quando há a admissão e expansão do ar atmosférico
junto à câmara de combustão, bem como a mistura dos gases no interior desta
Fonte: Wikipedia
Figura 1: Triciclo de Edward. Butler; Daimler-Maybach de 1885; NSU Sportmax de 250 cilindradas de 1955, respectivamente.
17
mesma câmara que é quando há a combinação para o efeito de explosão e queima
dos gases; o ciclo termodinâmico para o funcionamento deste processo nos quatro
tempos deste ciclo onde se denomina ciclo Otto; sistema termodinâmico para estudo
da quantidade de matéria tendendo para distinção de sistemas e processos
termodinâmicos na obra de Motores de combustão interna 2 (FRANCO BRUNETTI,
2012).
Os gases reais que normalmente conhecemos como, por exemplo, o hélio, o
nitrogênio e o oxigênio, apresentam características moleculares diferentes e
particulares de cada um. No entanto, se todos forem colocados a altas temperaturas
e baixas pressões, eles passam a apresentar comportamentos muito semelhantes.
No estudo dos gases adota-se um modelo teórico, simples e que na prática
não existe, com comportamento aproximado ao dos gases reais. Essa aproximação
é cada vez melhor quanto menor for à pressão e maior a temperatura. Esse modelo
de gás é denominado de gás perfeito. Neste sentido faz-se tornar relevante o estudo
dos gases quanto à diversidade dos mesmos no momento de evacuação junto ao
escape da moto, especificamente para este projeto, e onde serão explicitados
através das obras como: Fundamentos da Termodinâmica em suas edições 8 (VAN
WYLEN, SONNTAG, 2013) e leis da Termodinâmica (ANTÔNIO DE SOUZA
TEIXEIRA JÚNIOR, 2009).
Sistemas termodinâmicos na obra de Física 2 (HALLIDAY, David, RESNIK
Robert, KRANE, DENNETHS, 2004).
No tratamento do ciclo termodinâmico Otto, onde se fazem presente os
estágios dos motores de combustão interna (MOTORES DE COMBUSTÃO
INTERNA – VOL. 1 E VOL 2 – FRANCO BRUNETTI).
Quanto ao armazenamento de energia e massa, ao retratar a captura do gás
apois exaustão (FABIANO A.N. FERNANDES, 2006).
Para análise da matéria prima da câmara do pneu, neste caso a borracha, na
obra Borrachas e seus aditivos (ÉLYO C. GRISON, 2010); Artigo científico
(RAFHAEL BRUM WERLANG, 2013) tratando do mesmo aspecto.
Para verificação de cálculo de sistema de escape de motores a combustão
interna: (TRINDADE, 1998).
18
Quanto à vazão de gás pelo escapamento da moto e aplicação do mesmo no
insuflamento da câmara é inevitável a não abordagem de alguns tópicos bastante
relevantes, como por exemplo: A posição do pistão no interior do cilindro, Mistura
dos gases, termodinâmica, além das Reações químicas, como se objetivou
anteriormente na apuração e fomento do estudo dos gases. (FRANCO BRUNETTI,
2009).
2.2. A POSIÇÃO DO PISTÃO NO INTERIOR DO CILINDRO
No sistema dos motores alternativos o motor é composto por itens essenciais
para seu funcionamento exemplificados em seguida:
� Válvula de admissão, balancim e mola; � Tampa de válvulas; � Duto de admissão; � Cabeçote; � Bloco de motor; � Cárter; � Óleo e água; � Comando de válvulas; � Válvulas de escape, balancim e mola; � Vela de ignição; � Duto de escape; � Biela e mancal de biela; � Virabrequim.
Fonte: FRANCO BRUNETTI, 2012.
Figura 2: Funcionamento do pistão no interior do cilindro.
19
Tem o funcionamento similar a de um compressor de ar com o bombeamento
de ar quente, da câmara de combustão para a parte externa desta, e funcionam com
a mistura de ar/combustível que serão destacados no curso deste estudo de caso.
São verificados também quatro passos: Admissão; Compressão; Combustão
e Escape, onde simplificadamente se pode explicitar que: Admissão é o tempo em
que o movimento do pistão dá origem à sucção do ar do meio externo levando-o ao
interior da câmara de combustão, ou seja, é quando o pistão está em seu Ponto
Morto Inferior – PMI, está o mais afastado possível do cabeçote, e acontecendo o
oposto no escape que é quando o pistão encontra-se em seu Ponto Morto Superior
– PMS que é quando este está o mais próximo possível do cabeçote, conforme
Figura (2.1) e (2.2).
2.3. MISTURA DOS GASES NA CÂMARA DE COMBUSTÃO
Na mistura dos gases juntamente com a ignição acontece à combinação para
haver a queima do combustível e movimentação do pistão no interior do cilindro.
Nesses motores a mistura combustível-ar é admitida, previamente dosada ou
formada interior dos cilindros quando há a injeção direta de combustível (GDI –
Gasoline Direct Injection), e inflamada por uma faísca que ocorre entre os eletrodos
de uma vela.
Fonte: FRANCO BRUNETTI, 2012.
Figura (2.1): Pistão no interior do cilindro – PMS e PMI.
Figura (2.2): Exaustão do gás após a queima.
Fonte: FRANCO BRUNETTI, 2012.
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Como é de conhecimento nos estudos de mecânica, a moto independente de
tamanho ou cilindrada, funciona através do movimento dos pistões sendo isto
possível devido à queima de combustível (ar-combustível) causado por uma faísca.
Logo há a explosão e posterior funcionamento do motor. E essa queima de
combustível está relacionada também ao índice de emissão de gases à atmosfera
que no caso das motos é controlado pelo PROMOT – Programa de Controle da
Poluição do Ar por Motociclos e Veículos Similares, tendo em vista que a moto emite
mais gases para a atmosfera do que um veículo de quatro rodas por conta da maior
rapidez em sua locomoção e quantidade destes veículos nas ruas.
Em relação à comparação dos poluentes, conforme estudos realizados
constataram que, para motos nacionais entre 151 a 500 cilindradas, a média
ponderada - ajustando-se pelo total de veículos vendidos - de poluentes emitidos
pela frota vendida em 2008 foi de 0,98 gramas de CO por quilômetro rodado, quase
o dobro dos automóveis a gasolina desse ano, de 0,51 gramas de CO por quilômetro
rodado. O que se sabe na verdade é que a moto está cotada como um dos veículos
mais vendidos por conta de suas inúmeras vantagens em relação aos veículos de
quatro rodas.
No estudo de caso proposto o motor deste veículo serviria como um
compressor de ar para inflar essa câmara que de acordo com testes já realizados
tornou válida a ideia favorecendo o aprofundamento do assunto e projeto sabendo
que a análise termodinâmica de equipamentos que apresentam um escoamento de
massa para fora ou para dentro do equipamento é procedimento usual da
engenharia. Considerando que o sistema termodinâmico é definido como uma
quantidade de matéria, massa e identidade fixas, sobre a qual nossa atenção é
dirigida.
Tudo o que é externo ao sistema é chamado de ambiente ou vizinhança. O
sistema é separado da vizinhança pelas fronteiras e essas fronteiras podem ser
móveis ou fixas. (WAN WYLEN, 2009), ou seja, é o estudo das leis que regem as
relações entre calor, trabalho e outras formas de energia, mais especificamente a
transformação de um tipo de energia em outra, a disponibilidade de energia para a
realização de trabalho e a direção das trocas de calor.
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Visualizando o cenário atual das montadoras de veículos do polo de duas
rodas, percebeu-se certa dificuldade em desenvolver um processo que atue de
forma simples e ao mesmo tempo funcional, quanto ao desempenho eficaz do
produto acabado.
De acordo com várias pesquisas realizadas para verificação de soluções que
levassem eficiência no favorecimento e auxílio ao condutor deste tipo de veículo, foi
notória a tentativa frustrada em ensaios que possibilitassem este fato. No entanto,
como citado anteriormente, não houve o resultado esperado. Na ocasião foram
usados recipientes contendo produtos que tendessem inflar o pneu, mas ao mesmo
tempo o danificava, obtendo assim a perda de material.
O processo de aproveitamento do gás citado vem sendo desenvolvido já há
algum tempo, e de modo a contribuir com a redução de emissão de gases para a
camada atmosférica da Terra. Neste ponto houve resultados surpreendentes como é
o caso do bagaço de cana, que não passava de uma sobra no processamento da
cana-de-açúcar, e que atualmente gera energia a partir de sua queima acarretando
em uma receita média de 15% na usina de açúcar e etanol, assim como outros
pesquisadores já usam catalisadores orgânicos para transformar o dióxido de
carbono(���) em metanol. "O aproveitamento químico do (���) é um assunto de
grande interesse em todo o mundo, e tem duas vertentes: o uso como solvente
supercrítico e na produção de solventes ou reagentes orgânicos”.
Os gases expelidos pelos veículos automotores, com combustão interna, bem
como as motos, é uma mistura de dióxido de carbono, monóxido de carbono,
vapores de água, carvão em fuligem e produtos de enxofre, além de vapores do
combustível que não queimou totalmente, (���, ����), conforme citado
anteriormente. Porém existe um item chamado catalisador que por sua vez tem a
função de transformar os gases tóxicos, resultantes da combustão do motor, em
gases inofensivos, reduzindo assim a emissão de poluentes na atmosfera, sendo
este um dos motivos em tentar efetuar o insuflamento da câmara do pneu sem, de
certa forma, causar danos colaterais ao operador, neste caso o piloto da moto. O
catalisador fica localizado na parte interna do escapamento.
Enfim, muitas iniciações foram feitas para transformar o que era antes um
problema em uma solução.
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A proposta abordada trás uma série de perguntas, mas que em contra partida
oferece uma simples e provável solução para um problema existente, e que não
trata tão somente da emissão de gás, porém da problemática de perfuração do pneu
da moto.
Quanto ao armazenamento do gás no interior da câmara, este é feito de
forma proposital, somente para inflar a mesma.
Baseado na primeira Lei de Termodinâmica, a chamada lei da conservação
de energia, que no caso do proposto, indica a permanência do gás no interior da
câmara sem perder suas características de gás, ou seja, volume, temperatura e
pressão constantes, conforme ensaio efetuado. No entanto essas afirmações ainda
estão sendo analisadas de acordo com os experimentos. Cada experimento
realizado torna possível o aprofundamento de estudos mais precisos e aproximados
do correto.
Essa lei estabelece que, durante qualquer ciclo percorrido por um sistema, a
integral cíclica do calor é proporcional a integral cíclica do trabalho, ou seja, a
energia externa é igual à energia interna. Tal trabalho é medido em unidades
mecânicas, dadas pelo produto as força pela distância, como por exemplo, em
quilogramas – força x metro ou em joule, enquanto que as medidas de calor eram
realizadas por unidades térmicas, como a calor ou calorimetria. Essas medidas de
calor e trabalho foram efetuadas durante um ciclo para uma grande variedade de
sistemas e para várias quantidades de trabalho e calor. (WAN WYLEN, 2009)
Na Física interesse em compreender os fundamentos dos comportamentos
Físico e Químico da matéria e usar os princípios termodinâmicos para estabelecer
relações entre as propriedades da matéria. Um importante passo em toda análise
em engenharia é a identificação precisa do objeto a ser estudado. Em mecânica,
quando o movimento de um corpo precisa ser determinado, normalmente o primeiro
passo é a definição de um CORPO LIVRE e depois a identificação de todas as
forças externas exercidas sobre ele por outros corpos. A segunda lei do movimento
de Newton é então aplicada.
Em termodinâmica, o termo SISTEMA identifica o objeto da análise. Pode ser
um corpo livre ou algo complexo como uma Refinaria completa. Pode ser a
23
quantidade de matéria contida num tanque de paredes rígidas ou uma tubulação
através da qual a matéria flui.
A propriedade de Entalpia é uma grandeza física definida no âmbito da
termodinâmica clássica de forma que esta meça a máxima energia de um sistema
termodinâmico, teoricamente passível de ser deste removida na forma de calor. É
particularmente útil na compreensão e descrição de processos isobáricos a pressão
constante as variações de entalpia encontram-se diretamente associadas às
energias recebidas pelo sistema na forma de calor, estas facilmente mensuráveis
em calorímetros. A entalpia, além de englobar em si a energia interna, esta também
integra uma parte da energia passível de ser retirada a forma de calor, de acordo
com o sistema. E está realcionada a equação demonstrada a seguir:
� = � + ��
Onde:
H = entalpia;
U = energia interna do sistema;
PV = quantidade de energia relacionada ao sistema.
No Sistema Internacional de Unidades a unidade da entalpia é o joule (J).
No caso do projeto proposto, o gás ao ser expelido do escapamento, possui
uma temperatura elevada, porém ao ser armazenado no interior da câmara de
borracha, de acordo com os ensaios realizados, esta não apresentou aquecimento
na própria câmara possibilitando assim o manuseio deste equipamento com as
mãos.
A escala utilizada para medir a temperatura no sistema internacional SI é a
Celsius, cujo símbolo é °C onde que anteriormente possuia a nomeclatura de escala
centígrada, mas que agora passou a ter essa denominação em homenagem ao
astrônomo sueco Andres Celsius (1701-1744) que a idealizou.
Até 1954, esta escala era baseada em dois pontos fixos, facilmente
reprodutíveis, o ponto de fusão do gelo e o de vaporização da água. A temperatura
de fusão do gelo e água, que está em equilíbrio com o ar saturado à pressão de 1,0
Equação (1)
24
atm (0,101325 Mpa). A temperatura de vaporização a água é a temperatura em e a
água e o vapor se encontram em equilíbrio à pressão de 1 atm. Esses dois pontos,
na escala Celsius, recebi os valores 0 e 100.
Na Décima Coonferência de Pesos e medidas, em 1954, a escala Celsius foi
redefinida em função de um único ponto fixo é o ponto triplo da água (o estado que
as fases sólida, líquida e vapor coexistem em equilíbrio). A magnitude do grau é
definida em função da escala de temperatura do gás ideal. Os apectos relevantes
dessa nova escala são o ponto fix e a definição da magnitude do grau. O pomto
triplo da água recebe o vapor 0,01°C. Nessa escala, o ponto de vaporização normal
da água determonado experimentalmente é 100,00°C. Assim, há uma concordância
essencial entre a escala velha de temperatura e a nova.
Com base na segunda Lei da Termodinâmica de Nícolas Carnot, (1796 -
1832), pode-se definir uma escala de temperatura que é independente da substância
termométrica. Essa escala absoluta é usualmente referida como escala
termodinâmica de temperatura. Entretanto, é difícil operar diretamente essa escala,
por esse motivo foi adotada a Escala Internacional de Temperatura que é uam
aproximação muito boa da escala termodinâmica e é de fácil utilização. (JOHN
WYLEN, 2013)
A escala absoluta relacionada à escala Celsius é chamada escala Kelvin (em
honra a William Thompson, 1824-1907, que é também conheciso como Lord Kelvin)
e indicada por K (sem o símbolo de grau). A relação entre essas escalas é:
� = °� + 273,15 No uso em engenharia existem medidas, a exemplo da temperatura, que são
de bastente relavância para dimensionamento de quantidade e adequação a
utilização em fins específicos, como é o caso da massa e volume.
A grandeza pressão é usada em controle de processos e na imposição de
condições limites. Em sua maioria utiliza-se a pressão manométrica.
Equação (2)
25
Neste sentido é de fundamental o entendimento do volume de controle
específico de uma substância que é definido como volume ocupado pela unidade de
massa e é designado pelo símbolo v. A massa específica de uma substância é
definida como a massa associada à unidade volume. Então a massa específica é
igual ao inverso do volume específico. Essa massa é simbolizada por ρ.
O volume específico de um campo gravitacional pode variar de ponto para
ponto, desta forma a definição de volume específico deve envolver o valor da
propriedade de substância em um ponto de um sistema.
2.4. CICLO TERMODINÂMICO
Quando um sistema (substância), em um dado estado inicial, passa por certo
número de mudança de estados ou processos e finalmente retorna ao estado inicial,
o sistema executa um ciclo termodinâmico.
Deve ser feita uma distinção entre ciclo termodinâmico, citado acima, e um
ciclo mecânico. Um motor de combustão interna de quatro tempos executa um ciclo
mecânico a cada duas rotações. Entretanto o fluido de trabalho não percorreu um
ciclo termodinâmico dentro do motor, uma vez que o ar e o combustível são
queimados e transformados nos produtos de combustão que são descarregados
para a atmosfera, e que por consequência será utilizado na proposta de trabalho,
conforme Figura (3.1) abaixo:
Fonte: VAN WYLEN, 2012.
Figura 3: Manômetro de calibração de pressão de pneus.
26
Trata-se do ciclo Otto (NIKOLAUS OTTO, 1832 – 1891) um sistema aberto.
Isto porque troca massa com o meio externo, ao longo de um ciclo completo. Mas se
tratarmos isoladamente cada um dos quatro processos que ocorrem basicamente
nele pode considerá-los como sistemas fechados ou isolados, em cada caso
especial.
Especificamente, como demonstrado na tabela a seguir, se pode verificar o
número de ciclos e posicionamento do pistão no interior do cilindro quanto ao tempo
de cada processo nos motores a quatro tempos.
0° 180° 360° 540° 720°
1 Expansão Escape Admissão Compressão
2 Escape Admissão Compressão Expansão
3 Compressão Expansão Escape Admissão
4 Admissão Compressão Expansão Escape
Fonte: FRANCO BRUNETTI, 2012.
Núm
ero
de c
ilind
ros
Ciclos do motor
Fonte: FRANCO BRUNETTI, 2012.
Figura 3.1 – Quatro tempos do motor alternativo.
Tabela 1: MFI 4T z: 4 cilindros.
27
Onde:
MFI – Motores De Ignição Por Faísca Ou Otto.
Cabe ressaltar que durante o ciclo o pistão percorreu o curso por quatro
vezes e o eixo do motor realizou duas voltas, isso em um motor a quatro tempos,
conforme mostra a figura 2.1.
No caso dos motores alternativos a dois tempos, os chamados 2T, de ignição
por faísca, completa-se o ciclo com apenas dois cursos do pistão, correspondendo a
uma única volta do eixo do motor.
É oriunda do grego pneuma, e que significa fôlego, vento, sopro. É
conceituada como a matéria que trata dos movimentos e fenômenos dos gases. A
pneumática terá essencial importância para o andamento dos futuros experimentos,
considerando que haverá movimentação dos gases no interior da câmara de ar.
Similar ao sistema de funcionamento de um compressor, os motores de
combustão interna atuam de forma impactante com relação à emissão de gases ao
meio ambiente, pois de forma homogênea, estes gases são inibidos através do
catalisador. No entanto, para que o compressor possa armazenar o gás admitido, é
necessário o uso de um motor (elétrico) de indução para movimentar os pistões do
compressor através de um acoplamento que por fim captura o ar do meio externo e
o armazena em um cilindro ou reservatório, e que este ar é controlado por meio de
um dispositivo controlador de pressão, o pressostato. No entanto, no estudo de caso
proposto, este tema pneumático consta de forma básica em relação ao
armazenamento de gás no reservatório.
2.5. SISTEMA TERMODINÂMICO
Consiste em uma quantidade de matéria ou região para a qual nossa atenção
está voltada. Demarcamos um sistema termodinâmico em função daquilo que
desejamos calcular. Tudo que se situa fora do sistema termodinâmico é chamado
MEIO ou VIZINHANÇA, onde se pode também conceituar o sistema fechado que é o
sistema no qual não há fluxo de massa através das fronteiras que definem o
28
sistema; o Volume de controle; sistema isolado, onde não existe qualquer interação
com a vizinhança. (VAN WYLEN, 2013)
O sistema termodinâmico a ser estudado é demarcado através de uma
fronteira ou superfície de controle a qual pode ser móvel, fixa, real ou imaginária.
Relacionado à proposta de insuflação de gás em câmara de pneu observa-se
a influência da relação termodinâmica como demonstrada abaixo, e que por esta
razão, em uma análise moderna, é importante o tratamento dos ganhos de eficiência
em processos e dispositivos e é necessário conhecimento para completa apreciação
de engenharia sobre o funcionamento do sistema e seu desempenho.
��.���� = ��.��
��
Onde: ��= Pressão inicial;
��= Volume inicial;
��= Temperatura inicial;
��= Pressão final;
��= Volume final;
��= Temperatura final.
Onde temos como exemplos na tabela abaixo:
PROCESSOS TERMODINÂMICOS
Isobárico Pressão constante
Isotérmico Temperatura constante Isocórico ou Isotérmico Volume constante
Adiabático Sem transferência de calor
Isoentrópico Entropia constante
Isoentálpico Entalpia constante
Equação (3)
Fonte: VAL WYLEN, 2013.
Tabela 2 - Transformações Termodinâmicas.
29
Neste sentido um exemplo comum de aplicação das leis da Termodinâmica é
o motor de quatro tempos sendo que neste tipo de sistema, a energia é fornecida em
forma de calor, pela queima do combustível (Figura 4).
O modelo ideal do ciclo de Otto é constituído por quatro processos reversíveis internamente:
1. Admissão isobárica; 2. Compressão adiabática; 3. Expansão adiabática; 4. Exaustão isobárica.
2.6. FUNCIONAMENTO DAS VÁLVULAS DE ADMISSÃO E EXPANSÃO
Quanto às válvulas estas em sua abertura e fechamento, realizados pelo eixo
de comando de válvulas, assim acaba gerando uma classificação relativa à posição
deste sistema MCI, que é formado pelo trem quem movimenta as válvulas como
formação subsequente por: tucho, hastes e balancins. Este sistema, além de
complexo, permite folgas que acabam comprometendo o desempenho dos motores.
Quanto à posição do eixo comando, os motores também podem apresentar mais
que uma válvula de admissão ou escapamento.
Fonte: FRANCO BRUNETTI, 2012.
Figura 4: Ciclo Otto real ideal.
30
Quanto a alimentação de ar o desempenho dos MCIs está fortemente ligado e
associado à quantidade de ar admitido e retido no interior dos cilindros, como
demonstra a equação 5, pois, quanto mais ar é admitido, maior também será a
quantidade de combustível a ser adicionado e posteriormente oxidado.
O fluxo de ar para o interior do cilindro no tempo de admissão se dá em
função da geração de um gradiente de pressão entre o coletor de admissão e o
cilindro. No caso em que esse gradiente é ocasionado unicamente pelo
deslocamento do pistão do PMS para o PMI, o que gera uma depressão no interior
do cilindro, e não havendo nenhum dispositivo que eleve a pressão no coletor de
admissão acima da pressão atmosférica, tem-se o motor denominado naturalmente
aspirado. Nesses motores, o gradiente de pressão no processo de admissão é
limitado pela pressão de admissão, que será no máximo a pressão atmosférica.
Contudo, com a finalidade de aumentar essa gradiente as massas de ar admitidas
pelo motor surgiram os motores sobrealimentados onde possuem dispositivos que
aumentam a pressão no coletar de admissão acima da pressão atmosférica.
(FRANCO BRUNETTI – 2012)
O processo de compressão, como se sabe, acarreta no aumento de
temperatura do mesmo e esse aumento de temperatura ocasiona a redução da
massa específica do ar em comparação a uma condição de mais baixa temperatura.
Neste sentido a redução da massa específica do ar gerado pelo aumento de
temperatura na compressão. Na moto quando esta se encontra em movimento o
resfriamento é feito por conta do atrito com o ar, assim é condicionado o
resfriamento.
No caso dos gases de escape se nota que é um gás que já passou pela
queima no interior da câmara de combustão, logo este gás não é inflamável.
Qualquer que seja a aplicação do MCI é necessário dispor de um sistema que
colete e descarregue os gases de combustão de forma adequada, seguindo os
requisitos a seguir: reduzir o ruído causado pelo motor no ambiente; causar perda
mínima de potência do motor; satisfazer exigências operacionais como durabilidade,
nível de vibração etc.; geometria externa compacta; baixo custo.
Neste caso se pode dividir o processo de descarga em duas fases, sendo a
primeira fase onde ocorre a liberação dos gases de combustão, que se expandem
31
para o coletor de descarga. Já na segunda fase, o pistão expulsa os gases
queimados através de seu movimento. Esse processo de liberação ideal dos gases
ocorre assumindo-se o pistão estacionário no PMI, ao final do curso de expansão.
Os gases que escapam do cilindro sofrem uma expansão livre, sendo este um
processo termodinamicamente irreversível. Os gases que permanecem no cilindro
sofrem uma expansão adiabática e reversível até a pressão atmosférica, antes que
pistão inicie o curso de exaustão.
Antes de escapar do cilindro qualquer pequena porção de gases “n”,
ocupando o volume de “V”, tem energia “U” a uma temperatura “T”, ou seja, os
gases resultantes no cilindro expandem realizando trabalho empurrando outros
gases ao longo do coletor de descarga.
Então toda a energia cinética adquirida pelo elemento “n”, ao deixar o cilindro,
é dissipada por atrito em energia interna no mesmo elemento e que não ocorra
transmissão de calor. Portanto a energia aplicada a qualquer elemento “n”,
originalmente à temperatura “T”.
2.7. CARACTERÍSTICAS E APLICAÇÃO DOS PNEUS
Qualquer pneu, independentemente da perfeição de sua fabricação, pode vir
a ter falhas resultantes de perfurações, impactos, pressão incorreta, sobrecarga ou
qualquer outra condição inapropriada provinda de mau uso ou descuido. Falhas nos
pneus podem gerar prejuízos patrimoniais, danos físicos e até a morte, pois além de
serem responsáveis pela rodagem da moto é também responsável por amortecerem
os impactos relacionados à imperfeição das vias. Portanto manter a pressão
adequada neste componente indispensável para locomoção da moto é primordial
para melhor dirigibilidade e durabilidade dos mesmos.
O modelo de moto testado neste primeiro momento dos ensaios, no
insuflamento do gás, foi a CG 150cc da fabricante HONDA. No entanto este tipo de
motocicleta possui o pneu “Tube type”, pneu que contém câmara para rodagem.
Logo uma das condições para que a ideia e o dispositivo tenham um desempenho
convincente é o uso do pneu “Tubeless”, pneu sem câmara para rodagem.
32
Além desta distinção no nome estão também peculiaridades de cada um, por
exemplo, as rodas devem ser específicas para pneus sem câmera, que são
incompatíveis com as raiadas convencionais. De fato, apenas algumas “maxitrail”
(motos de uso misto) contam com rodas raiadas projetadas para pneus “tubeless”.
Nelas, o aro não é transpassado pelos raios como nas rodas raiadas das motos
pequenas, o que permite a fuga do ar. A regra para saber se é ou não possível usar
pneus sem câmara na sua moto é simples: se ela tem roda de liga, sim, vá em
frente. Nas rodas raiadas, nunca use, salvo as exceções citadas e a não ser que
você coloque câmara de ar no "tubeless" antes de instalá-lo. Um pneu sem câmara
pode comportar uma, mas um que exige o item jamais funciona sem ele.
Tecnicamente, a diferença entre os tipos é pequena. Nos pneus sem câmara, há
uma camada interna chamada de “liner”, que funciona como uma espécie de capa
que assegura maior retenção do ar. Além disso, no desenho do talão de um pneu
sem câmara – nome dado às bordas do pneu, que se encostam ao aro de roda –, a
área de contato com o aro é mais ampla, assim como também há uma tolerância
dimensional limitada. Fazer um pneu sem câmara entrar na roda é sempre mais
difícil porque essa folga é pequena, justamente para eliminar a chance de o ar
escapar. (figura 5 e 5.1)
Figura 5: Estrutura de um pneu sem câmara.
Figura 5.1: Estrutura de um pneu sem câmara.
Fonte: Divulgação Pirelli
Fonte: Divulgação Pirelli
33
2.7.1. CARACTERÍSTICAS DO PNEU E ARO
Como citado anteriormente os pneus com e sem câmra externamente são
praticamente iguais, no entanto o pneu sem câmara possui internamente um
revestimento impermeabilizante, chamado LINE a válvula é fixada no aro e não na
câmara.
O pneu sem câmara é mais seguro, porque sua construção é totalmente
hermética, diferentemente do pneu que tem a necessidade de usar câmara. O pneu
sem câmara conta com uma camada interna chamada de liner (lê- se láiner). É uma
fina camada de borracha que serve como impermeabilizante e reveste todo o interior
do pneu, impedindo que o ar escape pelas camadas de lonas. O liner torna a
câmara desnecessária e elimina a possibilidade de estouro súbito. No pneu sem
câmara, evidentemente, também é possível que um prego penetre, mas o pneu
tende a reter o prego que, a grosso modo, funciona como uma rolha de seu próprio
furo por algum tempo. Isso torna a perda de ar mais lenta, o que diminui o risco de
queda por perda de controle causada por um pneu murcho.
Em superesportivas, o peso da roda, principalmente a dianteira, é importante
para que o piloto não faça muita força no momento de mudanças rápidas de direção.
Quanto mais leve for a roda e todo o conjunto "não suspenso", que resulta no efeito
giroscópico, e que melhora e torna mais fácil a pilotagem. Mas o importante é que
com ou sem câmara, os pneus devem ser objeto de constante atenção. Afinal, na
moto, mais do que em qualquer outro veículo automotor, perder aderência com o
solo, nem que seja por uma só fração de segundo, acarreta uma situação crítica.
Como objeto de estudo destaca-se o item a seguir. Sendo este o principal item para o uso
do dispositivo (ZAMPIER Edu, 2011).
Figura 5.2: Perfil do aro
Fonte: Divulgação Pirelli
34
� Nota: A linha vermelha mostra o perfil da roda observanndo que o pneu sem
câmara pode ser mais largo. Já os pneus com câmara tem maior efeito
amortecedor, favorecend assim maior maciez e os sem câmara possibilta uma
pilottagem mais agressiva e estável. (figura 5.2)
As perfurações mais constantes nos pneus das motos são localizadas nos
pneus traseiros deste veículo, sabendo da tração exercida junto ao solo no momento
da movimentação da moto. Com isso existe o esvaziamento rápido ou lento,
conforme figura (6) e (6.1).
Cada motocicleta possui seu tipo de pneu sendo estes para modelos
diversos, conforme fabricante e certificações do INMETRO – Instituto Nacional de
Metrologia, Qualidade e Tecnologia, ISO 9001:2000 entre outras certificações que
visam à segurança para o piloto e pedestres. Ao final deste estudo de caso estarão
dispostas tabelas de especificação e aplicações destes modelos de pneus e
câmaras.
2.8. ESCOAMENTO DO GÁS NA TUBULAÇÃO DE ESCAPE DA MOTO
Quanto ao escoamento do gás no interior das condutas é de forma
compressível, não estacionário e com a secção variável. Esse escoamento pode ser
considerado como unidirecional onde a influência do atrito nas paredes da conduta é
significativa; as trocas de calor através das paredes também são significativas
devido à influência térmica de eventuais reações químicas no seio do escoamento, e
Figura 6: Esvaziamento do pneu. Figura 6.1: Pneu perfurado.
Fonte: Divulgação Pirelli Fonte: Wikipédia
35
por fim a secção transversal do escoamento poderá variar desde que o modelo
unidirecional se mantenha constante e a razão de calores específicos ɣ, por igual.
No final do processo de escape, mas ainda dentro do cilindro, permanece
certa quantidade de massa de gases, gases estes que são produtos da combustão,
ou seja, a massa restante fará parte da massa total da mistura no próximo ciclo.
Logo, esta massa é chamada de massa residual que é a relação entre a massa dos
gases residuais e a massa total da mistura existente no cilindro quando termina a
admissão. (JORGE TRINDADE, 1998) Dada pela equação:
� = !"# $%$ = !"# &! + '%() + !"#
Onde:
m+,-: massaresidual; m7+: massadear; m9:;<:massadecombustível; mC:C:massatotal.
Sendo assim é possível se estimar valor da fração residual a partir dos ciclos
padrões. Vale ressaltar que a ideia é válida para qualquer ciclo padrão, não somente
para o ciclo Otto. Desta forma com a influência e auxílio do dispositivo citado
anteriormente é possível realizar o insuflamento citado.
Equação (4)
Figura 6.2: Em destaque o motor e escapamento de uma moto.
Fonte: Manual do proprietário, Yamaha.
36
3. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
Neste primeiro momento foram priorizadas as condições normais do veículo
sem ajustes em suas características de fábrica relacionado ao motor deste, mas que
de acordo com o decorrer dos testes e condições de vazão do gás será analisada a
melhor forma de procedimento, e é necessário que se deixe claro que a rodagem do
pneu feito o insuflamento não será de forma constante, porém até a chegada da
moto a uma oficina para manutenção deste problema.
Em seguida foi realizada pesquisa bibliográfica relacionada aos tipos de
materiais e tipos de câmaras de pneu, no intuito de se descobrir se a mesma
suportaria a pressão e temperatura dos gases de escapamento. Posteriormente, foi
realizada a confecção do dispositivo baseado no projeto em questão juntamente
com o insuflamento da câmara para testar o processo, conforme materiais descritos
na Tabela 3.
MATERIAL UTILIZADO
ITEM DESCRIÇÃO DO MATERIAL QTD. UND. VALOR R$
1
Mangueira de borracha de alta temperatura, reforçada, diâmetro interno 16 mm.
0,3 m R$ 8,50
2 Mangueira de borracha para Ar, diâmetro interno 6,35 mm; 300 psi.
0,3 m R$ 4,00
3 Espigão fixo macho, rosca npt 19 x 6,35 mm. 1 UND. R$ 15,50
4 Abraçadeira tipo "pressão", metal, diâmetro 19 mm. 2 UND. R$ 2,25
5 Abraçadeira tipo "pressão", metal, diâmetro 6,35 mm. 2 UND. R$ 1,00
6 Luva de redução média pressão npt 6,35 x 19 mm 1 UND. R$ 12,50
7 Inflador presilha sem retenção de ar, diâmetro 6,35 mm. 1 UND. R$ 25,00
8 Câmara de borracha MJ18 1 UND. R$ 5,00
9 Pneu Tube Less aro 19" 1 UND. R$ 5,00
10 Aro 19", em metal 1 UND. R$ 5,00
11 Calibrador de pneu automotivo capacidade de até 50 psi/lb 1 UND. R$ 25,00
TOTAL R$ R$ 108,75
Fonte: O próprio autor.
Tabela 3: Material utilizado nos experimentos.
37
A montagem dos componentes do DI foi efetuada conforme dimensão do
diâmetro externo do tubo de saída do escape da moto com o diâmetro interno da
mangueira do DI, disposto no item 3.1 a seguir e figuras 7 e 7.1.
É comum e notório nas ruas de qualquer cidade a utilização de motos, sendo
em uso doméstico ou a serviço, e ver estes veículos em situações constrangedoras
e perigosas, fez com que houvesse o início desta pesquisa. Entretanto a análise dos
componentes do DI é bastante relevante sabendo que seu funcionamento pode ser
nocivo à saúde do motociclista quando precisar fazer uso deste.
3.1. DESCRIÇÃO DOS MATERIAIS UTILIZADOS NOS EXPERIMENTOS
O dispositivo para o insuflamento do gás é composto pelos componentes
citados na Tabela 1, obtendo as características conforme as figuras abaixo:
As medidas da mangueira do DI foram dimensionadas a partir do diâmetro
externo da saída de escape das motos. Favorecendo assim o encaixe adequado no
tudo de escape evitando assim vazamento de gases.
Foram encontrados diâmetros distintos dependendo dos modelos das
motocicletas e fabricantes, porém como se trata de uma mangueira e essa
mangueira é feita de borracha, consequentemente há certa elasticidade que dá
melhor aderência ao tubo de saída do escape da moto.
Figura 7: DI a montar Figura 7.1: DI montado
Fonte: O próprio autor. Fonte: O próprio autor.
38
Na continuidade dos ensaios foi utilizada apenas a câmara de borracha
relacionada à moto modelo XTZ – YAMAHA – MJ18 para pneu traseiro, onde se faz
necessário tornar claro que a câmara citada foi utilizada sem qualquer relevância,
senão apenas para ensaios, juntamente com o dispositivo desenvolvido e a
motocicleta Factor – YAMAHA 150cc para utilização de seu sistema de
escapamento para insuflamento que possui o diâmetro correspondente ao diâmetro
da mangueira do dispositivo (Figura 8.2).
Notou-se que não houve desligamento do motor da moto ao ser feita a
conexão com a câmara através do dispositivo citado, tendo em vista que a saída do
escape não foi totalmente obstruída, pois em uma das extremidades da mangueira
existe a válvula para conexão ao bico da câmara, e esta não impediu totalmente a
Fonte: O próprio autor.
Figura 8.2: Preparação para ensaio de insuflamento de câmara de pneu.
Figura 8: Medição tubo de escape1. Figura 8.1: Medição tubo de escape 2.
Fonte: O próprio autor. Fonte: O próprio autor.
39
passagem do gás. Em seguida, estando a moto em ponto neutro, acelerou-se a
mesma para se obter maior pressão e rapidez para o insuflamento (Figura 8.3)
Para insuflamento da câmara do pneu considerou-se o gás em sua exaustão
da câmara de combustão, onde na prática do ensaio esta não apresentou aumento
de temperatura quanto ao armazenamento, havendo apenas a deformação elástica
da câmara de borracha, uma característica deste material.
3.2. CARACTERÍSTICAS DA CÂMARA DE BORRACHA
Trata-se uma substância elástica extraída do látex da seringueira obtida
sinteticamente por processos químicos industriais resistentes a uma determinada
pressão e temperatura. A câmara de borracha, na moto ou no veículo de quatro
rodas, é um recipiente responsável por armazenar o ar de forma comprimida no
interior dos pneus. Sua resistência quanto à pressão e temperatura está diretamente
relacionada ao fim a que se destina. No caso dos pneus de motos, que é o veículo
em questão, a calibragem deste componente de pneu, se dá conforme
especificações do fabricante, ou seja, o proprietário do veículo é responsável por
seguir todas as observações contidas no manual do proprietário/usuário.
Sabe-se que em uma motocicleta onde a compressão do cilindro a uma
rotação de 900 RPM - rotação por minuto - atinge uma compressão padrão de
Fonte: O próprio autor.
Figura 8.3: Câmara de borracha após insuflamento.
40
aproximadamente 1.324 kPa (13,5 kgf/cm²) ou ainda 192 psi, conforme tabela
disposta.
Pressão de ar nos pneus/câmara
1 Pessoa 2 Pessoas
Dianteiro Traseiro Dianteiro Traseiro
175 kPa (25 psi)
200 kPa (29 psi)
175 kPa (25 psi)
225 kPa (33 psi)
Carga máxima: 170 Kg
Cada moto possui um tipo de pneu e cilindrada específica e equivalente ao
modelo. Neste caso a equação para obter a cilindrada da moto é dada conforme
equação:
Fonte: Manual do proprietário, Yamaha.
Fonte: Manual YAMAHA.
Tabela 4: Especificações de pressão dos pneus.
Tabela 5: Especificações do fabricante quanto à compressão do cilindro.
41
�'DEDFG!&G& = ∗ IJK ∗ L�M N ∗ �O
Onde: N: número de cilindros;
D: diâmetro [cm²];
C: curso, distância entre os pontos PMS e PMI [cm].
Mas também pode ser demonstrado na equação a seguir, onde:
S: curso do pistão – que é a distância percorrida pelo pistão quando
este se desloca de um ponto para outro, ou seja, do PMS ao PMI ou vice versa;
V�: Volume total – que é o volume compreendido entre a cabeça do
pistão e o cabeçote, quando o pistão está no PMI;
V�: Volume morto ou volume da câmara de combustão – que é volume
compreendido entre a cabeça do pistão e o cabeçote, quando o pistão está no PMS
(também indicado como V;);
VQR: Cilindrada unitária – que é também conhecida como volume
deslocado útil ou deslocamento volumétrico, é o volume deslocado pelo pistão de
um ponto morto a outro;
z: Número de cilindros do motor;
D: diâmetro do cilindro do motor;
VQ: Volume deslocado o motor, deslocamento volumétrico do motor ou
cilindrada total.
VQR = V� − V� = π ∗ D�
4 ∗ S
A maximização do rendimento mecânico do motor, sendo a relação entre a
sua potência efetiva e a potência indicada para uma determinada condição de
funcionamento, passa também pelo comportamento de seu escape, ou seja, a
diferença entre a potência indicada e a potência efetiva inclui as perdas por atrito, a
Equação (5)
Equação (6)
42
potência utilizada para movimentar os componentes do motor, bem como, o
comando de válvulas e a potência de bombagem que é a potência exercida para
remover do interior do cilindro no final do ciclo os produtos de combustão e efetuar
admissão de uma nova carga de mistura de ar/combustível, que pode ser expressa
como em termos da diferença entre a pressão média de admissão e a pressão
média de escape. Logo, uma pressão média de escape contribuirá para um melhor
rendimento mecânico do motor. Após a expansão o pistão passa pelas janelas de
admissão quando, novamente faz a lavagem dos gases de escapamento e
proporciona a admissão. Logo nota-se que os processos descritos utilizam apenas
dois cursos e, consequentemente, uma volta da manivela. A mesma solução pode
utilizar janelas de escapamento no cilindro, em lugar do suo de válvulas,
simplificando o motor mecanicamente.
Para verificação de compressão na câmara de combustão são dados os
valores no próprio manual do proprietário da moto, no entanto, caso haja a
necessidade de avaliar a real compressão em tal câmara é possível realizar o
processo através de um instrumento chamado – manômetro – onde o mesmo é
instalado no orifício da vela de ignição do motor (figura 9), conforme estabelecido
pelo fabricante, sabendo que a compressão no cilindro é praticamente padrão para
as motos com a mesma potência, mesmo sendo de outro fabricante, sendo essa
leitura é fornecida no máximo entre 4 a 7 segundos, de acordo com a Tabela 3.
Fonte: Manual do proprietário, HONDA.
Figura 9: Teste de compressão no cilindro.
43
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
De acordo com os dados fornecidos pelo fabricante da motocicleta usada em
ensaio houve êxito no que diz respeito ao insuflamento da câmara do pneu, quando
se obteve a calibragem de aproximadamente 20 psi, haja vista que a calibragem
apropriada para rodagem é de até 33 psi, dependendo do pneu a ser inflado (Tabela
1). Porém ainda é reconhecidamente vulnerável a possíveis alterações. Faz-se
necessária a aquisição de instrumentos de medição específicos para ensaios mais
aprofundados no sentido de desenvolver de forma mais eficaz este trabalho.
Notou-se que no ato do insuflamento da câmara, sendo tal processo efetuado
ainda externamente ao pneu, o mesmo não apresentou aquecimento em sua
superfície favorecendo a aplicação de maior quantidade de gás. No entanto quando
houve a inserção da câmara no pneu, pronto para rodagem, e com o insuflamento
efetuado, percebeu-se que há a possibilidade de rodagem da motocicleta.
Com a utilização do dispositivo desenvolvido e sua aplicação de forma
correta, tendo em vista o resguardo da integridade física do operador, ou seja, o
piloto da motocicleta, e quando este detectar a necessidade de uso do gás e DI, este
deverá atentar para alguns parâmetros de segurança para o início do processo de
insuflamento verificando a alta temperatura no tubo de escape da moto;
acoplamento do dispositivo para insuflamento (DI) junto ao tubo de saída do gás
sabendo que não deverá haver a inalação deste gás devido sua composição; o
processo de insuflamento deverá ser feito ao ar livre para melhor dissipação do gás
que por ventura venha a escapar pelas bordas do DI.
Notou-se também que para efeito de melhor desempenho do processo e
acondicionamento da câmara no pneu ainda é precoce a informação de possível
desbalanceamento das rodas, mesmo por que não houveram ensaios devidos para
este fim. Contudo foi notório que de acordo com a compressão do cilindro no motor
da moto haverá maior ou menor pressão na saída do gás no escape. Estes valores
de compressão dos gases no cilindro são dados pelo próprio fabricante, isentando
neste início, o uso de cálculos de pressão destes gases.
Os materiais utilizados nos ensaios foram adquiridos no mercado lojista local
da cidade de Manaus – AM, e estão disponíveis em variadas dimensões nos
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estabelecimentos atuantes na área de mecânica dos fluidos/fenômeno de
transportes. A Tabela 6 a seguir simplifica de forma básica os resultados
encontrados.
Observa-se que através do esforço máximo declarado pelo fabricante do
veículo, isto é, a carga máxima da moto estando a moto carregada com duas
pessoas ou não, suporta e neste caso se analisa o parâmetro encontrado para
possível rodagem com a câmara insuflada com os gases.
5. CONCLUSÃO
De acordo com o objetivo principal deste estudo de caso que trás a ideia de
ampliar a mobilidade dos veículos de duas rodas provisoriamente devido à
perfuração em um dos pneus, e neste primeiro momento fazendo uso das
descrições do fabricante em seu manual disposto, torna-se viável a insuflação dos
gases e seu armazenamento na câmara do pneu, conforme ensaios anteriores,
porém observando os parâmetros dispostos no item 4 deste estudo de caso quanto
aos procedimentos a serem seguidos.
Conforme proposto e através de objetivos e ensaios, quase todos realizados,
exceto o de balanceamento das rodas, análise da temperatura dos gases de escape
e teste de rodagem dos pneus com gás insuflado, até aqui se tornou válido os
experimentos sabendo que ainda surgirão várias outras ideias para este fim, mas
que sempre deverão seguir os passos citados neste estudo de caso ou não. É
Pressão de ar nos pneus/câmara
1 Pessoa 2 Pessoas
Pressão encontrada
com o uso do DI
Dianteiro Traseiro Dianteiro Traseiro -
175 kPa (25 psi) 200 kPa (29 psi)
175 kPa (25 psi) 225 kPa (33 psi) 20 (psi)
Carga máxima: 170 Kg
Tabela 6: Comparativo de calibragem do pneu da moto
Fonte: Manual YAMAHA
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importante reiterar que é um estudo complexo e que há a necessidade de
aprofundamento em alguns tópicos em questão tendo em vista a ausência de
conhecimento da temperatura dos gases depois de saída do escape, teste de
rodagem com a moto e balanceamento das rodas após insuflamento da câmara,
conforme relatado anteriormente.
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6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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BRUNETTI Franco, Motores de Combustão Interna – vol. 1 – editora Edgard
Bluguer, 2012.
BRUNETTI Franco, Motores de Combustão Interna – vol. 2 – editora Edgard
Bluguer, 2012.
Catálogo Pirelli, 2015
ÉLYO C. Grison - Artigo científico Matéria prima da câmara do pneu, 2010.
FABIANO A. N. Fernandes – Artigo científico, 2006.
HALLIDAY, David, RESNIK Robert, KRANE, Denneth S. Física 2, volume
1, 5 Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2004. 384 p.
HONDA, Manual do proprietário, 2004.
PROMOT - Programa de Controle da Poluição do Ar por Motociclos e Veículos
Similares.
RAFHAEL Brum Werlang – Artigo científico Matéria prima da câmara do pneu, 2013.
TEIXEIRA JÚNIOR Antônio de Souza, Leis da Termodinâmica, FUNBEC.
TRINDADE Jorge Manuel Fernandes, Tese de mestrado: Regime de escoamento
dos gases no escapamento, 1998.
VAN WYLEN, Sonntag, Fundamentos da Termodinâmica 7ª edição – editora
Blucher, 2009.
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VAN WYLEN, Sonntag, Fundamentos da Termodinâmica 8ª edição – editora
Blucher, 2013.
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ZAMPIER Edu, Revista rodas e pneus, 2011.
SITES PESQUISADOS
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http://abdir.jusbrasil.com.br/noticias/1873878/motos-poluem-ate-quatro-vezes-
mais-que-carros/revistaquatrorodas; acesso 13/06/2015 às 15h20minh;
http://www.inmetro .gov.br: acesso 13/06/2015 às 15h47min.
