análise das eficiências volumétrica, global, mecânica e térmica de

ANÁLISE DAS EFICIÊNCIAS VOLUMÉTRICA, GLOBAL, MECÂNICA E

TÉRMICA DE UM VEÍCULO FLEX OPERANDO COM ETANOL HIDRATADO E

GASOLINA EM DIFERENTES SITUAÇÕES DE CARGA

Arthur Cavalcanti de Albuquerque Fonseca Candido

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos

requisitos necessários à obtenção do título de

Engenheiro.

Orientadores: Prof. Sílvio Carlos Aníbal de Almeida

Eng. Antônio Carlos Scardini Villela

Rio de Janeiro

Abril de 2016

iii

Candido, Arthur Cavalcanti de Albuquerque Fonseca

Análise das eficiências volumétrica, global, mecânica e

térmica de um veículo Flex operando com etanol hidratado e

gasolina em diferentes situações de carga / Arthur Cavalcanti

de Albuquerque Fonseca Candido. – Rio de Janeiro: UFRJ/

Escola Politécnica, 2016.

XII, 108 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida; Anônio Carlos

Scardini Villela

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/

Curso de Engenharia Mecânica, 2016.

Referencias Bibliográficas: p. 79-84.

1. Motores de Combustão Interna. 2. Veículo Flex. 3. Etanol

Hidratado. 4. Gasolina. 5. Eficiências. I. Almeida, Silvio

Carlos Anibal de, Villela, Antônio Carlos Scardini. II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,

Curso de Engenharia Mecânica. III. Análise das eficiências

volumétrica, térmica, mecânica e global de um veículo Flex

operando com etanol hidratado e gasolina em diferentes

situações de carga.

iv

“We meet at a college noted for knowledge, in a city noted

for progress, in a state noted for strength, and we stand in

need of all three, for we meet in an hour of change and

challenge, in a decade of hope and fear, in an age of both

knowledge and ignorance. The greater our knowledge

increases, the greater our ignorance unfolds.”

John F. Kennedy

v

Agradecimentos

Aos meus pais, Sergio e Mônica Candido. Poderia mencionar muitos aspectos

pelos quais os admiro, mas, durante esse trabalho, percebi um especialmente importante:

eles sempre acreditam na capacidade dos filhos, apoiando incondicionalmente.

À Petrobras S.A., representada pelos engenheiros Marcílio Carvalho e Tadeu

Melo. A oportunidade de realizar o estágio no Centro de Pesquisas (CENPES), gerência

de Desempenho de Produtos em Motores (DPM) redobrou o meu interesse na engenharia

mecânica, além de ter sido uma oportunidade ímpar de aprendizado acadêmico,

profissional e networking. A compreensão do meu supervisor Tadeu Melo em permitir o

meu temporário afastamento das atividades de estágio durante a parte final da realização

desse trabalho foi fundamental para a sua conclusão.

Ao meu orientador, Silvio de Almeida. O seu empenho e detalhe nas correções

elevou o nível acadêmico desse trabalho acima do que eu poderia alcançar sozinho. Foi

também fundamental para me manter focado no prazo de conclusão, nunca duvidando do

meu sucesso.

Ao meu co-orientador, engenheiro Antônio Villela, de quem surgiu a ideia inicial

para este trabalho. Além disso, desde o princípio do meu estágio me tratou de maneira

profissional, tirando todas as dúvidas e ensinando sobre o dia-a-dia do ambiente de

trabalho.

Ao engenheiro Sergio Botero e ao técnico Daniel Libório pela ajuda na realização

do experimento.

A todos os funcionários da gerência de Desempenho de Produtos em Motores do

CENPES, que fizeram o meu dia-a-dia no estágio uma experiência prazerosa e divertida

pela companhia.

Ao professor do Departamento de Engenharia Mecânica da UFRJ Daniel Castello,

por primeiro me conceder uma oportunidade no meio acadêmico. Levarei o gosto pela

estatística e os demais ensinamentos aprendidos durante a iniciação científica para toda a

minha carreira profissional.

Ao meu irmão, César Albuquerque, ao meu primo, Leandro Barros. Grande parte

do que eu sou hoje é fruto da sua convivência.

Por fim, agradeço à influência e presença constante da minha avó, Marlene de

Moura Cavalcanti de Albuquerque. O seu único sonho era ver os três netos formados.

Como sou o caçula, a conclusão deste trabalho é literalmente o último passo para a

realização do seu sonho, vó. Descanse em paz.

vi

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos

requisitos necessários à obtenção do Grau de Engenheiro Mecânico.

ANÁLISE DAS EFICIÊNCIAS VOLUMÉTRICA, GLOBAL, MECÂNICA E

TÉRMICA DE UM VEÍCULO FLEX OPERANDO COM ETANOL HIDRATADO E

GASOLINA EM DIFERENTES SITUAÇÕES DE CARGA


Abril/2016

Orientadores: Silvio Carlos Anibal de Almeida

Antonio Carlos Scardini Villela

Curso: Engenharia Mecânica

Em dezembro de 2012 havia no Brasil 50,6 milhões de veículos leves (DENATRAN,

2012). Essa enorme frota consumiu em 2012 mais de 31 bilhões de litros de gasolina e 19

bilhões de litros de etanol, e liberou mais de 96 milhões de toneladas de CO2 (BRASIL –

MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE, 2014). Em 2012 o governo federal criou o

Programa Inovar-Auto (BRASIL – GOVERNO FEDERAL, 2012), que promove um

abatimento dos impostos dos veículos que reduzirem o seu consumo energético. Para

tanto, é necessário conhecer as suas ineficiências, isto é, onde a energia química dos

combustíveis está sendo perdida. Assim, testes com um veículo leve equipado com um

motor multicombustível do ciclo Otto (Otto Flex) com etanol e gasolina foram realizados.

Foram testadas diferentes condições de carga do motor e velocidade do veículo,

representativas do seu uso típico. Foram analisadas as influências das condições

operativas nos resultados das eficiências volumétrica, global, mecânica e térmica do

veículo. Foi observado que o aumento da carga do motor leva a um aumento das

eficiências volumétrica, global e mecânica, mas a uma diminuição da eficiência térmica.

Nas condições de testes e veículo utilizado, foi observado que a gasolina apresentou uma

tendência de leve aumento na eficiência volumétrica, enquanto o etanol promoveu

melhores resultados de eficiências global, mecânica e térmica. A velocidade de 60 km/h

resultou no melhor resultado de eficiência volumétrica, pois ela corresponde a uma

rotação próxima da rotação de torque máximo do motor.

Palavras-chave: Motores de Combustão Interna, Veículo Flex, Etanol Hidratado,

Gasolina, Eficiências

vii

Abstract of undergraduate project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Mechanical Engineer.

ANALYSIS OF THE VOLUMETRIC, GLOBAL, MECHANICAL AND THERMAL

EFFICIENCIES OF A FLEX VEHICLE OPERATING WITH HYDROUS ETHANOL

AND GASOLINE UNDER DIFFERENT LOAD CONDITIONS


April/2016

Advisors: Silvio Carlos Anibal de Almeida

Antonio Carlos Scardini Villela

Course: Mechanical Engineering

In December 2012, there were 50.6 million light-duty vehicles in Brazil (DENATRAN,

2012). This huge fleet consumed 31 billion liters of gasoline and 19 billion liters of

ethanol in 2012, and launched 96 million tons of CO2 to the atmosphere CO2 (BRASIL

– MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE, 2014). In 2012 the federal government created

the Inovar-Auto program (BRASIL – GOVERNO FEDERAL, 2012), which will give tax

breaks to OEM’s that decrease the energetic consumption of their vehicles. In order to do

so, it is necessary to know the vehicle's inefficiencies, that is, where the chemical energy

from the fuel is being lost. To achieve this goal, tests with a light-duty vehicle equipped

with a multi-fuel, Otto-cycle engine (Otto Flex) running with ethanol and gasoline were

done. Different conditions of engine load and vehicle speed, representative of typical

daily use, were tested. The influence of the different operating conditions on the vehicle's

volumetric, global, mechanic and thermal efficiencies were analyzed. An increase in

engine load led to a slight increase in the volumetric, global and mechanic efficiencies,

and to a decrease in the thermal efficiency. Furthermore, in the test conditions and vehicle

analyzed, gasoline showed a tendency to increase volumetric efficiency, while ethanol

showed a tendency to increase the results for global, mechanic and thermal efficiencies.

60 km/h was the speed that showed the best volumetric efficiency result, since it

corresponds to an engine speed close to the engine's maximum torque speed.

Keywords; Internal Combustion Engines, Flex-fuel Vehicles, Hydrated Ethanol,

Gasoline, Efficiencies.

viii

Sumário

Capítulo 1: Introdução ....................................................................................... 1

1.1 Histórico .......................................................................................... 1

1.2 Motivação ........................................................................................ 2

1.3 Objetivos .......................................................................................... 2

1.4 Organização do trabalho ................................................................... 3

Capítulo 2: Revisão Bibliográfica ...................................................................... 4

Capítulo 3: Análise Teórica ............................................................................... 8

3.1 O ciclo Otto padrão-ar (teórico) ........................................................ 9

3.2 Funcionamento de um motor Otto 4 tempos real............................. 11

3.3 Desvios do motor real em relação ao teórico................................... 17

3.3.1 Eficiência volumétrica ........................................................... 17

3.3.2 Eficiência global .................................................................... 19

3.3.3 Eficiência mecânica ............................................................... 20

3.3.4 Eficiência térmica .................................................................. 24

Capítulo 4: Procedimento Experimental ........................................................... 28

4.1 Veículo .......................................................................................... 28

4.2 Combustíveis ................................................................................. 29

4.3 Bancada experimental .................................................................... 30

4.4 Descrição dos equipamentos........................................................... 33

4.4.1 Dinamômetro ......................................................................... 33

4.4.2 Medidor de vazão .................................................................. 35

4.4.3 Sensor MAP .......................................................................... 37

4.4.4 Sensor lambda ....................................................................... 38

4.4.5 Tacômetro ............................................................................. 42

4.4.6 Termo-higrômetro.................................................................. 44

4.5 Matriz de testes .............................................................................. 45

Capítulo 5: Resultados e Discussões ................................................................ 49

5.1 Eficiência Volumétrica ................................................................... 50

5.2 Eficiência Global............................................................................ 58

ix

5.3 Eficiência Mecânica ....................................................................... 64

5.4 Eficiência Térmica ......................................................................... 70

Capítulo 6: Conclusões e Proposta de Trabalhos Futuros ................................. 76

6.1 Propostas de trabalhos futuros ........................................................ 77

Capítulo 7: Referências Bibliográficas ............................................................. 79

Apêndice I: Determinação da Densidade do Ar Atmosférico............................ 85

Apêndice II: Cálculo da (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 ................................................................... 87

Apêndice III: Determinação das Incertezas das Eficiências .............................. 89

Apêndice IV: Resultados Experimentais .......................................................... 92

IV.1 Rotação ........................................................................................ 92

IV.2 Força ............................................................................................ 92

IV.3 Consumo de combustível ............................................................. 93

IV.4 Pressão MAP ............................................................................... 94

IV.5 Lambda ........................................................................................ 95

IV.6 Potência total de fricção (𝑃𝑡𝑓) ..................................................... 96

IV.7 Potência devido à resistência ao rolamento das rodas ................... 97

IV.8 Eficiência Volumétrica ................................................................. 97

IV.9 Eficiência Global ....................................................................... 100

IV.10 Eficiência Mecânica ................................................................. 103

IV.11 Eficiência Térmica ................................................................... 106

x

Lista de Figuras

Figura 2-1 - Concentração anual de 𝐶𝑂2 na atmosfera (NOAA, 2011) ···················· 4

Figura 3-1 - Classificação das máquinas térmicas ············································ 9

Figura 3-2 - Caracterização do ciclo Otto padrão-ar (MORAN & SHAPIRO, 2004,

adaptada) ·························································································10

Figura 3-3 - Relação entre eficiência, razão de compressão e o 𝛾 do fluido ativo

(BRUNETTI, 2014) ·············································································11

Figura 3-4 - Vista de um motor tipo Otto, com 4 cilindros em linha (HEYWOOD, 1988)

·····································································································12

Figura 3-5 - Cilindro de um motor Otto esquemático (MORAN & SHAPIRO, 2004,

adaptada) ·························································································13

Figura 3-6 - 4 tempos de um motor ciclo Otto esquemático (HEYWOOD, 1988) ······14

Figura 3-7 - Desenho esquemático de um pistão, destacando a presença dos anéis

(HEYWOOD, 1988) ············································································15

Figura 3-8 - Representação esquemática do sistema de ar (BRUNETTI, 2014, adaptada)

·····································································································16

Figura 3-9 - Relação entre as perdas de bombeamento, fricção e acessórios ·············23

Figura 3-10 - Gráfico PxV de um motor Otto 4 tempos (MORAN & SHAPIRO, 2004,

adaptada) ·························································································25

Figura 3-11 - Esquema de um indicador mecânico de pressões (BRUNETTI, 2014,

adaptada) ·························································································26

Figura 4-1 - Diagrama esquemático dos sensores e da aquisição de dados ···············31

Figura 4-2 - Posicionamento dos sensores no motor (BRUNETTI, 2014, adaptada) ····32

Figura 4-3 - Controladora National Instruments Compact-Rio 9024 ······················32

Figura 4-4 - Panorama geral do motor ························································33

Figura 4-5 - Terminal de controle do dinamômetro ·········································34

Figura 4-6 - Esquema de um medidor de vazão – Coriolis (BRUNETTI, 2014) ········35

Figura 4-7 - Detector remoto do medidor de vazão ROTAMASS ·························36

Figura 4-8 - Conversor do medidor de vazão do ROTAMASS ····························37

Figura 4-9 - Desenho esquemático de um Sensor MAP ····································38

Figura 4-10 - Sensor lambda banda estreita esquemático (BRUNETTI, 2014, adaptado)

·····································································································39

Figura 4-11 - Sensor lambda banda larga esquemático (BOWLING & GRIPPO, 2004,

adaptada) ·························································································40

xi

Figura 4-12 - Sinal de saída típico dos sensores lambda tipo banda larga e estreita ·····41

Figura 4-13 - Sensor lambda Bosch LSU 4.9 (BOSCH, 2015) ····························42

Figura 4-14 - Módulo lambda ETAS ES630 ·················································42

Figura 4-15 - Detalhe do sensor indutivo do tacômetro ao redor do cabo de ignição ···43

Figura 4-16 - Módulo do tacômetro SmartTach ·············································44

Figura 4-17 - Imagem do termo-higrômetro Minipa MTH-1362 (MINIPA, 2014) ······45

Figura 4-18 - Fluxograma do procedimento experimental ··································47

Figura 4-19 - Diagrama da sequência de ensaios realizados ·······························48

Figura 5-1 – Exemplo da pressão MAP: experimento com etanol, 40km/h ··············49

Figura 5-2 - Pressão MAP, ensaio com etanol hidratado, 40 km/h ························50

Figura 5-3 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios a 40 km/h ·············51





Figura 5-8 - Consumo mássico de gasolina em relação ao etanol para cada condição

operativa ··························································································54

Figura 5-9 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios com etanol ···········56

Figura 5-10 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios com gasolina ·······56

Figura 5-11 – Análise da eficiência volumétrica para os ensaios em WOT ··············57

Figura 5-12 – Resultado da eficiência global para os ensaios a 40 km/h ·················58

Figura 5-13 - Resultado da eficiência global para os ensaios a 50 km/h ··················59




Figura 5-17 - Resultado da eficiência global para os ensaios com etanol ·················61

Figura 5-18 - Resultado da eficiência global para os ensaios com gasolina ··············62

Figura 5-19 - Análise da eficiência global para os ensaios em WOT ·····················63

Figura 5-20 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios a 40 km/h ··············64




xii


Figura 5-25 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios com etanol ·············67

Figura 5-26 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios com gasolina ··········68

Figura 5-27 - Análise da eficiência mecânica para os ensaios em WOT ··················69

Figura 5-28 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios a 40 km/h ················70





Figura 5-33 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios com etanol ···············73

Figura 5-34 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios com gasolina ·············74

Figura 5-35 - Análise da eficiência térmica para os ensaios em WOT ····················75

1

Capítulo 1: Introdução

1.1 Histórico

Em agosto de 2015 havia no Brasil 49,2 milhões de veículos leves (DENATRAN,

2015). Somente no ano de 2014 foram produzidos 2,5 milhões de veículos com motor

ciclo Otto, sendo 2,3 milhões do tipo Flex (ANFAVEA, 2015), que funcionam com

qualquer mistura de etanol e gasolina. Além disso, no mesmo ano foi importado mais de

meio milhão de veículos tipo Otto (ANFAVEA, 2015).

No Brasil, os veículos leves são proibidos de usarem óleo diesel como

combustível (BRASIL – DEPARTAMENTO NACIONAL DE COMBUSTÍVEIS,

1994). Por isso, quase todos esses veículos utilizam motores do ciclo Otto. Esse tipo de

motor consome principalmente dois tipos de combustíveis: etanol e gasolina.

A gasolina comercializada no Brasil é misturada com etanol desde a criação do

programa do governo federal PRÓ-ÁLCOOL (BRASIL – GOVERNO FEDERAL,

1975). O objetivo do programa foi o aumento da produção de etanol anidro para mistura

à gasolina, de forma a diminuir a importação desse combustível, especialmente após a

crise do petróleo. Posteriormente foi incentivada a criação do primeiro veículo movido à

etanol, em 1979. Como legado desse programa, é comum encontrar etanol à venda nos

postos de combustíveis até hoje no país, bem como misturado à gasolina C comercial, na

forma anidro (BRASIL – MINISTÉRIO DA AGRICULTURA, 2015).

Essa grande frota de veículos consumiu, somente no ano de 2012, 31,7 bilhões de

litros de gasolina e 19 bilhões de litros etanol (BRASIL – MINISTÉRIO DO MEIO

AMBIENTE, 2014). A combustão desses combustíveis gerou, somente no ano de 2012,

a emissão de mais de 96 milhões de toneladas de CO2, entre outros poluentes.

Para conter toda essa poluição, o Conselho Nacional do Meio Ambiente criou o

Programa de Controle de Emissões Veiculares – PROCONVE, por meio da resolução

CONAMA n° 18, de 1986 (Brasil – CONAMA, 1986). Esse programa regula alguns dos

principais poluentes emitidos pelos veículos, estabelecendo limites máximos de emissões.

Esses limites vêm diminuindo gradativamente com as novas resoluções do Conselho.

Em 2012 foi criado o Programa de Incentivo à Inovação Tecnológica e

Adensamento da Cadeia Produtiva de Veículos Automotores - Inovar-Auto (BRASIL –

GOVERNO FEDERAL, 2012). Esse programa do governo federal permitirá, em 2017,

desconto de até dois pontos percentuais no IPI dos veículos cujo consumo energético seja

reduzido em 18,84%. Podem ser contemplados nesse programa empresas que produzam,

comercializem, ou que apresentem plano de investimento para produção de veículos no

Brasil.

2

1.2 Motivação

O programa Inovar-Auto tem como objetivo estimular projetos mais eficientes

para os veículos fabricados no Brasil. Para tanto, evidentemente, é necessário conhecer

as ineficiências do veículo, isto é, onde a energia química proveniente da combustão do

combustível está sendo perdida.

Um dos aspectos mais importantes na avaliação da eficiência dos veículos é o

consumo de combustível. Este, por sua vez, deriva de diversos fatores, com maior ou

menor grau de influência.

Alguns desses fatores estão ligados ao design do veículo e, uma vez definidos no

projeto, em grande medida não mais serão alterados. Como exemplo, podem ser citadas

a massa total do veículo, a área frontal e a cilindrada (volume deslocado pelos pistões,

também chamada de capacidade volumétrica do motor).

Outros fatores dependem de como o veículo é conduzido: sua velocidade e

potência instantânea desenvolvida, por exemplo, variam continuamente no uso diário.

Com os veículos Flex, a composição do combustível também pode ser alterada,

introduzindo mais um fator de influência na eficiência do veículo.

A motivação deste trabalho vem dos estudos sobre como a alteração das condições

de operação de um veículo, inclusive a seleção do combustível, impactam a sua eficiência.

Devido à criação do programa Inovar-Auto pelo governo federal e à importância dos

veículos Otto Flex para o cenário automotivo brasileiro, estudos da eficiência deste tipo

de veículo tornam-se ainda mais relevantes.

1.3 Objetivos

O objetivo desse trabalho é calcular as eficiências volumétrica, global, mecânica

e térmica de um veículo leve equipado com um motor do ciclo Otto Flex, representativo

da frota brasileira, em diferentes condições de carga e combustível.

O veículo foi então instrumentado e testado num dinamômetro de chassis de 48’’

da AVL-ZÖLLNER. Os sensores instalados permitiram medir o consumo mássico

horário de combustível, a pressão absoluta no coletor de admissão, a razão ar-combustível

relativa (λ) da mistura e a velocidade de rotação do motor (em rotações por minuto, RPM).

De modo a testar as diferentes condições de carga, foi desenvolvida uma matriz

de ensaios representando diferentes velocidades e posições do pedal do acelerador.

De modo a representar os combustíveis encontrados em postos de abastecimento

do país no final de 2015, os ensaios foram realizados com etanol hidratado e repetidos

com gasolina brasileira (E27, com 27% em volume de etanol anidro). A seleção dos

combustíveis atende aos requisitos do veículo selecionado, que pode funcionar com

qualquer mistura destes.

3

1.4 Organização do trabalho

O capítulo 2 do trabalho apresenta uma breve revisão da bibliografia estudada.

Apresenta e discute trabalhos semelhantes em maior ou menor grau a este. Nesse capítulo

foram utilizados termos e nomenclaturas típicas da área de ensaio de veículos e motores.

O capítulo 3 aborda a teoria por trás do presente trabalho. O subcapítulo 3.1

introduz o ciclo Otto padrão-ar, base dos veículos leves brasileiros. O subcapítulo 3.2

apresenta os componentes e o funcionamento básico de um veículo ciclo Otto real.

Apresenta também a definição dos principais termos utilizados nesse trabalho. O

subcapítulo 3.3 explica como o motor Otto real se diferencia do teórico, e como essas

diferenças implicam nas ineficiências dos motores reais, assunto deste trabalho.

O capítulo 4 ilustra como o ensaio foi feito. É fornecida uma descrição do veículo

e dos combustíveis utilizados, bem como uma explicação básica do funcionamento dos

sensores instalados. Por fim, é apresentada a matriz de cargas e velocidades a que o

veículo foi submetido.

O capítulo 5 apresenta os resultados para o cálculo das eficiências nas condições

testadas. Propõe também quais seriam as razões para algumas das tendências observadas.

O capítulo 6 faz a conclusão dos resultados encontrados e dá sugestões para

trabalhos futuros baseados no presente trabalho. As referências bibliográficas se

encontram listadas no capítulo 7.

4

Capítulo 2: Revisão Bibliográfica

Veículos Otto são veículos que utilizam a combustão como fonte de energia. No

Brasil, os combustíveis tipicamente utilizados por esses veículos são a gasolina brasileira

(E27, com 27% em volume de etanol anidro) e o etanol hidratado (com 4,5% de água). A

combustão desses combustíveis, porém, gera a emissão de gases poluentes, que

contribuem para o efeito estufa. Entre os gases poluentes emitidos, está o 𝐶𝑂2, cuja

concentração na atmosfera aumenta ano após ano. A Figura 2-1 mostra a concentração

anual de 𝐶𝑂2 na atmosfera, conforme medido pelo observatório de Mauna Loa, no Havaí.

Figura 2-1 - Concentração anual de 𝐶𝑂2 na atmosfera (NOAA, 2011)

Assim, melhorar o aproveitamento da energia gerada por um veículo Otto torna-

se fundamental na diminuição da emissão de gases do efeito estufa. Diferentes tecnologias

têm sido estudadas para atingir esse objetivo. A alteração da injeção do combustível, de

injeção no coletor (PFI: port fuel injection) para injeção de gasolina diretamente nos

cilindros (GDI: gasoline direct injection); a alteração do sistema de admissão de ar, de

aspirado (NA: naturally aspirated) para turbo-comprimido (turbocharged); a alteração do

tempo de abertura e fechamento das válvulas (VVT: variable valve-timing); a variação da

razão de compressão; a eliminação da borboleta (throttle); a utilização de sistemas

híbridos de geração de energia (hybrid powertrain systems); e a utilização de

biocombustíveis (biofuels) vêm sido estudadas (CARVALHO, 2009) como formas de

aumentar a eficiência dos veículos, contribuindo para uma menor emissão de gases

poluentes.

WYSZYNSKI et al. (2002) estudaram a influência de diferentes combustíveis na

eficiência volumétrica de motores com injeção PFI e GDI. O estudo foi realizado em um

motor monocilindro baseado no sistema de combustão Mitsubishi GDi, operando em

baixa rotação (1000 RPM). Foi encontrado, para gasolina comercial, um aumento na

eficiência volumétrica de 9% quando a injeção no coletor (PFI) era substituída pelo

5

sistema com injeção direta (GDI). Foi percebido um aumento de mais 3% quando a

gasolina foi misturada com 10% de metanol.

FARREL et al. (2003) estudaram como a variação do teor de olefinas e aromáticos

e do teor de etanol numa gasolina comercial influencia a eficiência global e as emissões

de poluentes de um motor Otto. O motor utilizado no experimento, Toyota 1AZ-FSE, 2.0,

possuía sistema de injeção direta de combustível, e foi testado majoritariamente em cargas

parciais. Foi encontrado uma boa correlação entre o nível de olefinas na gasolina e um

aumento na eficiência global. Devido ao alto teor de enxofre nos combustíveis utilizados,

não foram encontradas correlações estatisticamente relevantes entre as propriedades dos

combustíveis e as emissões de poluentes.

AMORIM (2005) estudou a influência da razão de compressão no desempenho e

na eficiência de um motor Otto Flex. Foi estudado um motor FIAT FIRE Flex 1.3, com

razão de compressão original de 11:1. O estudo testou gasolina brasileira, etanol hidratado

e gás natural veicular (GNV), na razão de compressão original e nas razões de 12,5:1 e

15:1. Uma central eletrônica programável e um kit de conversão para GNV foram

instalados, e o motor foi calibrado para cada combustível. O estudo mostrou que os

melhores valores de torque, potência e consumo específico para a gasolina ocorreram na

razão de compressão de 11:1; para o etanol hidratado, na de 12,5:1; e para o GNV, na de

15:1. Além disso, o estudo mostrou que o etanol promove um ganho no torque máximo

de 11% em relação à gasolina, enquanto o GNV promove uma redução no torque máximo

de 10%, aproximadamente.

BAÊTA (2006) desenvolveu uma metodologia experimental para maximizar o

desempenho de um motor Otto Flex por meio da instalação de um turbo-compressor.

Foram utilizados o mesmo motor e os mesmos combustíveis utilizados por AMORIM

(2005). O trabalho conclui que a aplicação do turbo-compressor se mostrou efetiva,

obtendo valores de torque superiores com os três combustíveis testados, sem que a

eficiência global sofresse prejuízos.

CATON et al. (2007) estudaram a performance de um motor padrão CFR quando

operado com gasolina, gasohol (gasolina com 10% de etanol anidro) e E85 (85% de etanol

anidro e 15% de gasolina). O motor foi testado a 900 RPM, e foram variadas o tempo de

ignição e a razão de compressão. A injeção de combustível se dava antes das válvulas de

admissão (PFI), e a mistura foi mantida levemente rica (λ=0,9). Foi descoberto que para

cada unidade de aumento na razão de compressão o tempo de ignição precisou ser

atrasado em 5 graus para a gasolina e para o gasohol. Para o E85, o atraso foi de apenas

2 graus. A eficiência volumétrica com E85 foi menor que com gasohol e gasolina. Para

uma razão de compressão de 9:1 (típica para motores dedicados à gasolina), a eficiência

térmica com E85, relativamente à gasolina, foi 25% maior. Porém, enquanto o consumo

específico com gasohol e gasolina foram similares, o consumo específico com E85 foi

26% maior.

VILLELA et al. (2009) fizeram uma ampla pesquisa sobre a diferença na

autonomia de veículos Otto Flex funcionando com gasolina brasileira (E22) e etanol

6

hidratado. Foi analisada a autonomia no ciclo urbano de 15 veículos pertencentes ao

CENPES (Centro de Pesquisas da Petrobras), e a autonomia declarada ao Programa

Brasileiro de Etiquetagem Veicular (PBEV) no ciclo urbano de outros 21 veículos. O

estudo encontrou que, em média, a autonomia dos veículos Flex com etanol hidratado é

68% da autonomia do mesmo veículo, mas funcionando com gasolina E22.

COSTA et al. (2011) estudaram o efeito da razão de compressão na performance

de um motor Otto Flex funcionando com etanol hidratado e gasolina (E22). Foram

estudadas razões de compressão de 10:1, 11:1 e 12:1, e rotações do motor de 1500 a 6500

RPM. Foi observado que a altas rotações, o aumento da razão de compressão levou a um

aumento no torque para ambos os combustíveis. Enquanto a utilização de razões de

compressão muito baixas para a gasolina não afeta o consumo específico desse

combustível, razões de compressão altas afetam positivamente os resultados com etanol

hidratado, diminuindo o consumo específico e aumentando a eficiência global.

CARVALHO (2011) realizou ensaios em um motor Otto Flex 1.4L, capaz de

funcionar com gasolina brasileira e etanol hidratado. Foi instalado no motor um “kit-gás”,

de modo a funcionar também com gás natural veicular (GNV). A metodologia do trabalho

consistiu de ensaios experimentais realizados em dinamômetro de bancada. Foram

testados gasolina, etanol hidratado, etanol anidro, misturas gasolina/etanol e GNV. Foram

comparados resultados de torque, consumo, potência, eficiências e emissões de poluentes.

De uma maneira geral, o trabalho destacou o álcool combustível, tanto pelos bons

resultados de desempenho e eficiência, como do ponto de vista ambiental, por ser esse

combustível produzido a partir de biomassa.

MELO (2012) realizou uma análise experimental e uma simulação computacional

de um motor Tetrafuel da FIAT, 1.4L Otto Flex. O motor foi ensaiado com gasolina com

25% de etanol anidro (H0), etanol hidratado (H100), e misturas de etanol hidratado na

gasolina nos percentuais de 30% (H30), 50% (H50) e 80% (H80). Foram realizados

ensaios de desempenho e emissões em um banco de provas de motor e foi medida também

a pressão na câmara de combustão. Os dados experimentais foram utilizados para validar

o modelo computacional desenvolvido, que gera curvas de pressão na câmara de

combustão em função do ângulo de virabrequim como resultado de saída. Foi observado

que a adição de etanol levou a um avanço do ângulo de ignição e a uma menor

variabilidade da pressão máxima na câmara de combustão. Além disso, devido ao menor

poder calorífico inferior do etanol, foi observado um aumento no consumo específico do

motor. O aumento do teor de etanol levou também a um aumento das emissões de CO2,

devido ao aumento do consumo de combustível. No entanto, devido ao aumento do teor

de oxigênio no combustível, o aumento do teor de etanol levou a uma diminuição das

emissões de hidrocarbonetos e a um aumento das emissões de aldeídos e etanol não-

queimado.

JUNG et al. (2013) estudaram a diferença de eficiência global de um motor V8

5.0 com injeção direta de combustível funcionando com gasolina pura (E0, sem adição

de etanol) e E85 (85% em volume de etanol anidro e 15% de gasolina). O motor foi

ensaiado a 1500 RPM e 2,62 bar BMEP, 1500 RPM e 5 bar BMEP e 2000 RPM e 5 bar

7

BMEP. Foi descoberto que a eficiência global do motor com E85 é 4% maior relativa à

gasolina pura. Os autores argumentaram que em torno da metade dessa melhora é devido

à maior entalpia de vaporização do E85, e a outra metade devido à menor temperatura

dos gases de exaustão. A menor temperatura dos gases de exaustão é devida tanto a menor

temperatura adiabática de chama do E85 quanto ao maior calor específico a pressão

constante (𝑐𝑝).

CHAVES (2013) analisou o impacto da adição de etanol hidratado às gasolinas

comum e premium brasileiras, nos teores de 20, 30 e 40%. Foi utilizado um motor ASTM

CFR-F2 para a determinação da octanagem MON dos combustíveis. Foi observado que

a adição de etanol aumenta a octanagem da gasolina comum, mas altera apenas

marginalmente a da gasolina premium. Além disso, foi observado que o consumo de

combustível é maior quanto maior e teor de etanol.

WANG et al. (2015) estudaram dois sistemas de injeção de combustíveis

diferentes: injeção de álcool no coletor de admissão e injeção direta de gasolina (álcool-

gasolina), e injeção de gasolina no coletor de admissão e injeção direta de álcool

(gasolina-álcool). Esses dois sistemas foram comparados com a condição de referência,

injeção direta de gasolina. Três diferentes álcoois foram estudados, nomeadamente

metanol, etanol anidro, e etanol com 15% de água. O motor utilizado (2.0, 4 cilindros,

razão de compressão de 13:1) foi testado em 1600 RPM com a borboleta totalmente

aberta. Foi descoberto que a configuração gasolina-álcool resulta em valores de eficiência

global e volumétrica maiores. A configuração gasolina-metanol produziu um torque 19%

maior que a condição de referência.

VILLELA et al. (2014) estudaram a eficiência energética de um veículo Otto Flex

brasileiro. Foram avaliadas a energia química disponível pelo combustível e todas as

perdas de energia nos sistemas do veículo, como a resistência ao rolamento das rodas, o

atrito no sistema de transmissão e a resistência do ar, entre outras. O veículo, 1.4L,

manual, foi ensaiado em 3ª marcha de 40 a 80 km/h, em condições de carga máxima

(Wide-open throttle, WOT máxima abertura da borboleta) com gasolina E25. Para os

ensaios realizados, foi observado que 20,6% da máxima potência teórica do veículo era

perdida na admissão do ar; 56,5% era perdido devido às ineficiências térmicas do veículo;

e 6,6% era perdido devido ao atrito mecânico entre os componentes. Assim, apenas 16,3%

da máxima potência teórica era de fato produzida pelo veículo na forma de potência útil.

Assim, nota-se pela literatura pesquisada que muitos autores estudam o impacto

da alteração das configurações dos motores, ou o impacto de alterações dos combustíveis

na performance dos motores. VILLELA (2014) propõe uma análise diferenciada ao

avaliar as eficiências volumétrica, mecânica e térmica do veículo como um todo. Este

trabalho, portanto, propõe uma extensão do trabalho iniciado por VILLELA (2014). Serão

avaliadas então as eficiências de um veículo Flex operando não somente com gasolina

em WOT, mas também com etanol e em condições de carga parciais.

8

Capítulo 3: Análise Teórica

O motor tipo Otto é uma máquina térmica, um motor de combustão interna

alternativo. BRUNETTI (2014) define uma máquina térmica como um dispositivo que

permite transformar calor em trabalho. O calor pode ser obtido de diferentes fontes:

combustão, energia elétrica, energia atômica, etc. No caso dos motores do tipo Otto, o

calor é proveniente, tipicamente, de combustíveis fósseis líquidos.

A obtenção de trabalho pelo motor se dá a partir de uma sequência de processos

termodinâmicos realizados no fluido ativo característico da máquina térmica. Por isso, a

primeira classificação das máquinas térmicas é quanto ao comportamento do fluido ativo:

em motores de combustão externa, o fluido ativo é apenas o veículo da energia térmica,

ocorrendo a combustão externamente a este; em motores de combustão interna, o fluido

ativo participa diretamente da combustão.

Os motores de combustão interna são, por sua vez, divididos em motores

alternativos e motores rotativos. Em motores alternativos, o trabalho é obtido pelo

movimento de vaivém de um pistão, transformado em rotação contínua por um sistema

biela-manivela. Em motores rotativos o trabalho é obtido diretamente por um movimento

de rotação.

A combustão é um processo químico exotérmico de oxidação de um combustível.

O oxidante da reação é tipicamente o oxigênio presente no ar atmosférico. Para que o

combustível reaja com o oxigênio do ar necessita-se de algum agente que provoque o

início da reação. Denomina-se ignição o processo que provoca o início da combustão.

Quanto à ignição, os motores alternativos são divididos em dois tipos: os motores

de ignição por faísca, ou tipo Otto, e os motores de ignição espontânea, ou por

compressão, ou tipo Diesel. Em motores tipo Otto, a mistura ar-combustível é inflamada

por uma faísca que ocorre entre os eletrodos de uma vela. Já em motores tipo Diesel, o

combustível reage espontaneamente com o oxigênio presente no ar quente, sem a

necessidade de uma faísca.

A Figura 3-1 mostra um diagrama esquemático simples das classificações e

subdivisões das máquinas térmicas. O motor tipo Otto está destacado na figura, devido a

ser o tema abordado nesse trabalho.

Para o desenvolvimento de modelos dos processos termodinâmicos que

acontecem dentro das máquinas térmicas reais, idealizações normalmente são feitas.

Embora um modelo simplificado geralmente permita apenas um estudo qualitativo da

performance das máquinas reais, eles nos permitem tirar conclusões sobre como

mudanças em alguns parâmetros operativos afetariam a performance dessas máquinas.

9

Figura 3-1 - Classificação das máquinas térmicas

3.1 O ciclo Otto padrão-ar (teórico)

O ciclo Otto teórico é chamado de ciclo Otto padrão-ar. Ele tem esse nome devido

à primeira simplificação que é feita no seu cálculo: admite-se que as transformações do

ciclo atuam sobre uma quantidade fixa de fluido de trabalho, que é tomado como sendo

o ar atmosférico. As outras simplificações podem ser observadas na Tabela 3-1. Essas

simplificações permitirão uma análise termodinâmica simples do ciclo padrão-ar.

Tabela 3-1 - Simplificações do ciclo Otto padrão-ar (BRUNETTI, 2014)

1. O fluido ativo é ar; é desconsiderado o combustível

2. O ar é um gás perfeito (gases para os quais vale a relação de Clapeyron)

3. O ar é um gás ideal (gases para os quais os calores específicos a volume e pressão

constantes não dependem da temperatura)

4. Não há admissão ou escape (não há troca de massa)

5. A compressão e expansão são assumidas isentrópicas

6. A combustão é substituída por um fornecimento de calor instantâneo para o

fluido de trabalho

7. A exaustão é substituída por uma retirada de calor instantânea do fluido de

trabalho

8. Todos os processos são reversíveis

O ciclo Otto padrão-ar é caracterizado por quatro processos termodinâmicos

reversíveis, como pode ser visualizado na Figura 3-2. O primeiro é uma compressão

isentrópica (1-2). O segundo é uma adição de calor isovolumétrica (2-3, representando a

combustão do combustível). O terceiro é uma expansão isentrópica (3-4, o único processo

que produz trabalho positivo). O quarto é uma remoção de calor isovolumétrica (4-1,

representando a exaustão dos produtos da combustão).

Máquina térmica

Combustão interna Combustão externa

(ex: máquina a vapor)

Alternativo Rotativo (ex: Wankel)

Ignição por centelha

(ex: Otto)

Ignição por compressão

(ex: Diesel)

10

Figura 3-2 - Caracterização do ciclo Otto padrão-ar (MORAN & SHAPIRO,

2004, adaptada)

Com a Figura 3-2 é possível definir o trabalho do ciclo 𝑊𝑐 , que é a área 1-2-3-4

no diagrama P-v, e o calor útil 𝑄𝑢, que é a área 1-2-3-4 no diagrama T-s. Aplicando a 1ª

Lei da Termodinâmica para Sistemas ao ciclo, e considerando-se que em um ciclo a

energia interna final e inicial são iguais, obtêm-se que 𝑊3−4 − 𝑊1−2 = 𝑊𝑐 = 𝑄𝑢 =

𝑄2−3 − 𝑄4−1.

Definindo-se a eficiência térmica como a razão entre o trabalho do ciclo e o calor

fornecido pela fonte quente, e aplicando-se as hipóteses simplificadoras da Tabela 3-1, é

possível calcular o rendimento do ciclo Otto teórico por meio da equação 3-1.

𝜂𝑂𝑡𝑡𝑜 =

𝑊3−4 − 𝑊1−2

𝑄2−3= 1 −

1

𝑟𝑐𝛾−1

(3.1)

Nessa equação 𝑟𝑐 =𝑉𝑏

𝑉𝑎 é a razão de compressão, a razão entre os volumes 𝑉𝑏 e 𝑉𝑎

da Figura 3-2, e 𝛾 =𝑐𝑝

𝑐𝑣 é a razão dos calores específicos a pressão e volume constantes.

A Figura 3-3 mostra um gráfico da variação do rendimento térmico com a razão

de compressão para quatro valores típicos de gama. Pode-se perceber que para o gama do

ar atmosférico, 1,4, e uma razão de compressão de 13:1 (igual à do veículo selecionado

para esse trabalho), é encontrada uma eficiência térmica de 64,2%. Devido a terem sido

feitas várias simplificações, é de se esperar que a eficiência térmica real seja menor que

a calculada com a equação 3-1.

11

Figura 3-3 - Relação entre eficiência, razão de compressão e o 𝛾 do fluido ativo

(BRUNETTI, 2014)

3.2 Funcionamento de um motor Otto 4 tempos real

O presente trabalho aborda a eficiência de um veículo Otto Flex 4 tempos. Por

isso será apresentado aqui um detalhamento maior do seu funcionamento. A Figura 3-4

mostra um corte de um motor tipo Otto, com 4 cilindro em linha. Da figura é possível ver

o posicionamento relativo dos pistões, arranjados em pares. É possível ver também a

existência de uma válvula de admissão e uma de exaustão por cilindro, como é o caso do

veículo testado neste trabalho. O eixo de comando de válvulas sobre os cilindros (no

cabeçote) também é uma característica presente no veículo testado. Esses e alguns outros

elementos do motor estão numerados e nomeados na Tabela 3-2 (HEYWOOD, 1988).

Tabela 3-2 - Alguns elementos do motor Otto

1. Carburador 5. Ajustador hidráulico 9. Biela 13. Pinhão

2. Filtro de ar 6. Válvula de admissão 10. Virabrequim 14. Tensionador

3. Eixo de comando de válvulas 7. Válvula de exaustão 11. Bomba de óleo 15. Correia

4. balancim 8. Pistão 12. Pescador do óleo 16. Coroa

12

Figura 3-4 - Vista de um motor tipo Otto, com 4 cilindros em linha (HEYWOOD,

1988)

Figura 3-5 mostra um desenho esquemático de um único cilindro de um motor

Otto. O pistão se movimenta dentro do cilindro, e os pontos mortos inferior e superior são

os extremos da movimentação do pistão. O cilindro é fechado no topo pelo cabeçote. O

espaço entre o cabeçote e o ponto morto superior é chamado de câmara de combustão. A

vela e as válvulas de admissão e exaustão, através das quais a mistura de ar e combustível

é renovada, ficam posicionadas no cabeçote. A parte do motor abaixo dos pistões, aonde

estão localizados o virabrequim e a bomba de óleo, é denominada cárter.

13

Figura 3-5 - Cilindro de um motor Otto esquemático (MORAN & SHAPIRO,

2004, adaptada)

A Figura 3-6 mostra os quatro tempos de funcionamento de um motor Otto. A

mistura ar-combustível é aspirada para dentro do cilindro no tempo de admissão, Figura

3-6a. O movimento para baixo do pistão nesse tempo cria um vácuo dentro do cilindro.

É esse vácuo que succiona a mistura. Devido à inércia de rotação do virabrequim, o pistão

inicia um movimento para cima, comprimindo a mistura ar-combustível admitida. A esse

tempo dá-se o nome de compressão, Figura 3-6b. Ao fim da compressão, a vela causa

uma centelha, que inflama a mistura ar-combustível comprimida. A energia liberada pela

combustão do combustível faz aumentar a pressão e a temperatura dentro da câmara de

combustão. O pistão é então empurrado devido à alta pressão, provocando o movimento

de rotação da biela. A esse tempo dá-se o nome de expansão, Figura 3-6c. Após a

combustão, os gases resultantes são expelidos do cilindro no tempo de exaustão, Figura

3-6d. O pistão causa uma pressão nos gases suficiente para vencer a perda de carga do

sistema de exaustão.

Vela

Válvula de

exaustão

Câmara de combustão

Parede do

cilindro

Pistão

Virabrequim

Movimento de

rotação

Movimento

alternativo

Curso

Ponto morto

superior

Ponto morto

inferior

Válvula de

admissão

Diâmetro

Biela

Cabeçote

Bloco

Cárter

14

Figura 3-6 - 4 tempos de um motor ciclo Otto esquemático (HEYWOOD, 1988)

Devido à construção da conexão entre a biela e o virabrequim, o movimento

alternativo do pistão é transformado em movimento rotativo do virabrequim. O

virabrequim é então conectado a um sistema de transmissão, que transmite o torque

produzido pelo motor para os pneus, impulsionando o veículo.

O pistão não fica em contato direto com a parede do cilindro. O óleo lubrificante

do motor se interpõe entre os dois, lubrificando o contato entre as partes móveis. Devido

ao pistão não vedar completamente o cilindro, os motores Otto possuem anéis entre esses

dois componentes. Os anéis cumprem duas funções: diminuir a passagem dos gases da

combustão do cilindro para o cárter através da folga entre o cilindro e o pistão (um

fenômeno chamado por HEYWOOD, 1988, de blow-by), e diminuir a passagem de óleo

lubrificante do cárter para a câmara de combustão.

A energia produzida pela combustão da mistura ar-combustível deve ser

transferida para o pistão para ser aproveitada como trabalho mecânico. Os gases do blow-

by não exercem pressão no topo do pistão, e por isso não realizam trabalho sobre este. A

sua energia é então desperdiçada, e por isso esse fenômeno deve ser evitado.

Já a passagem de óleo lubrificante para a câmara de combustão faz com que este

entre em combustão junto com a mistura ar-combustível. Isso é prejudicial para o

funcionamento do motor: caso o óleo seja totalmente consumido, nada irá lubrificar o

contato entre o cilindro e o pistão, o que pode provocar a falha de alguns dos componentes

do motor.

De modo a evitar esses dois fenômenos, os pistões tipicamente possuem dois anéis

de vedação (que diminuem o blow-by) e um anel raspador (para raspar o óleo lubrificante

de volta para o cárter). Um desenho esquemático do pistão de um motor Otto, com

destaque para os anéis, pode ser visualizado na Figura 3-7.

a) admissão b) compressão c) expansão d) exaustão

MI

MI

15

Figura 3-7 - Desenho esquemático de um pistão, destacando a presença dos anéis

(HEYWOOD, 1988)

Para que a combustão ocorra, é necessária a presença de ar na câmara de

combustão. O sistema de ar do veículo é responsável por coletar, filtrar, e regular a

quantidade de ar atmosférico a ser admitida no cilindro, e está mostrado de forma

esquemática na Figura 3-8. O primeiro elemento do sistema é o filtro de ar, marcado com

o número 0 na figura. Ele é responsável por eliminar as impurezas e partículas que

poderiam afetar a combustão e/ou danificar outros componentes do motor. O segundo

elemento é a borboleta, um dispositivo de regulagem da vazão de ar, marcado com o

número 1 na figura.

A inclinação da borboleta em relação à passagem de ar é controlada pelo pedal do

acelerador. Quanto mais o pedal é pressionado, mais a borboleta é inclinada em relação

ao escoamento, diminuindo a perda de carga deste, e maximizando a sua vazão. Quando

o pedal do acelerador é totalmente pressionado, a borboleta fica totalmente paralela ao

escoamento. Essa condição especial é chamada por CARVALHO (2011) e MELO (2012)

de Wide-Open Throttle (“Borboleta Totalmente Aberta”). A sigla WOT será usada neste

trabalho para se referir a essa condição.

Após a borboleta, o ar chega ao coletor de admissão, nome dado à última parte do

sistema de admissão de ar antes do cilindro, e marcado com o número 2 na Figura 3-8.

Nos sistemas de injeção de combustível do tipo multi-ponto (como o presente no veículo

deste trabalho), é no coletor de admissão que o combustível é injetado e se mistura ao ar

admitido.

Coroa do Pistão

Anéis de vedação

Anel raspador

Saia

Folga dos anéis

Folga do

sulco

Anéis

Folga

lateral

Pino do pistão

16

O dispositivo responsável pela injeção do combustível é chamado de injetor, e

está marcado com o número 3 na figura. A unidade de controle eletrônico (Electronic

Control Unit, ECU) regula a quantidade de combustível injetado controlando o tempo de

abertura do injetor.

O dispositivo número 4 na figura é um termômetro, e o número 5 é a sonda MAP

(Manifold Absolute Pressure, pressão absoluta no coletor de admissão). Comercialmente,

porém, o nome sonda MAP costuma significar um único sensor que informa os dois

valores, de pressão e temperatura do coletor de admissão. O valor de pressão conforme

informado pela sonda MAP será tratado nesse trabalho como “Pressão MAP”, e

corresponde à pressão absoluta da mistura ar-combustível dentro do coletor de admissão.

O fim do sistema de ar é a válvula de admissão, através da qual a mistura ar-

combustível entra no cilindro para entrar em combustão.

Figura 3-8 - Representação esquemática do sistema de ar (BRUNETTI, 2014,

adaptada)

Por meio das informações dos sensores de temperatura, pressão do ar, e da

velocidade do motor (medidas por um tacômetro), é possível estimar o consumo de ar

instantâneo pelo método Speed Density, conforme explicado por BRUNETTI (2014) e

utilizado por BAÊTA (2006). O conhecimento do consumo de ar instantâneo é importante

para o cálculo da vazão necessária de combustível, realizado pela unidade de controle

eletrônico (ECU, sigla referente à Electronic Control Unit).

A relação entre o consumo de combustível e o consumo de ar depende da Relação

Ar-Combustível Estequiométrica (referida nesse trabalho pelo símbolo (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡). A

(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 é a menor massa de ar atmosférico seco que proporciona oxigênio suficiente

para a combustão completa de uma unidade de massa de combustível (MORAN &

SHAPIRO, 2004). O valor da (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 do combustível é gravado na ECU. Assim, a partir

do valor do consumo de ar é possível calcular a vazão de combustível correspondente.

17

De modo a checar se a relação entre o combustível injetado e a vazão de ar

admitida está correta, os veículos Otto possuem um sensor lambda no escapamento. λ

(letra grega lambda) significa razão ar-combustível relativa (HEYWOOD, 1988), e mede

o quanto a relação entre o consumo de ar e o consumo de combustível está próximo da

(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡. Numericamente, ele é calculado segundo a equação 3-2 (HEYWOOD, 1988).

Nessa equação, �̇�𝑎 representa o consumo mássico horário de ar seco, e �̇�𝑐, o consumo

mássico horário de combustível.

𝜆 =

�̇�𝑎�̇�𝑐

⁄

(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡

(3.2)

O sensor lambda é na verdade um medidor do teor de oxigênio no escapamento.

Uma explicação mais detalhada sobre o seu funcionamento será dada na seção 4.4.4. Os

veículos buscam funcionar com valor de λ o mais próximo possível de 1 (MELO et al.,

2009), pois essa condição corresponde a uma menor emissão de gases poluentes. A única

situação em que o veículo não opera com λ igual a 1 é em WOT. Assim, o cálculo da

vazão de combustível necessária é feito a partir do conhecimento da vazão de ar e da

(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡, e conferido pela sonda lambda. Esse processo é chamado controle em malha

fechada (closed-loop feedback control, MACHADO, 2012, MELO, 2012).

3.3 Desvios do motor real em relação ao teórico

O motor Otto real, conforme abordado na seção 3.2, possui diversos componentes

diferentes, os quais permitem o seu funcionamento. Porém, muitos desses componentes

introduzem diferenças relevantes em relação ao ciclo Otto padrão-ar. Isso faz com que o

motor Otto real possua uma eficiência, isto é, a relação entre a potência que ele produz e

a que ele poderia produzir, menor que 100%.

Um motor Otto real admite menos ar do que seria possível. A massa de ar admitida

tem uma densidade menor do que a densidade do ar atmosférico. Além disso, a energia

química presente no combustível não é totalmente aproveitada como energia útil. Uma

parte dessa energia é na fricção entre os diversos componentes do motor; uma outra parte

é gasta no bombeamento do ar, e uma outra parte é gasta no funcionamento dos acessórios

do motor. Por fim, a energia química presente no combustível não é totalmente liberada

devido a diversas ineficiências inerentes ao processo de combustão num motor Otto.

3.3.1 Eficiência volumétrica

A primeira diferença entre o ciclo ideal e o motor real é a quantidade de ar

admitida. O caminho que o ar atmosférico percorre até o cilindro provoca atritos e perda

de pressão do ar. Há perda de pressão e aquecimento no escoamento através do filtro de

ar, no escoamento ao redor da borboleta, dentro do coletor de admissão, e através das

válvulas de admissão.

Esses fatores combinados fazem com que menos ar seja admitido do que se o

cilindro fosse preenchido de maneira quasi-estacionária com ar a pressão e temperatura

18

atmosféricas. A relação entre a massa de ar admitida e a máxima quantidade possível de

se admitir é chamada de eficiência volumétrica.

A vazão de ar que teoricamente pode ser admitida pelo cilindro é dada pela

equação 3-3 (HEYWOOD 1988).

�̇�𝑎,𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 =

𝜌𝑎 ∗ 𝑉𝑑 ∗ 𝑁

2 (3.3)

Nessa equação, 𝑉𝑑 é volume deslocado pelo motor, numericamente igual à área

da coroa do pistão multiplicada pelo curso e pelo número de cilindros no motor. 𝑁 é a

velocidade rotacional do virabrequim, sendo tipicamente apresentada em rotações por

minuto, RPM. O fator 2 está presente pois, sendo o motor de 4 tempos, cada cilindro

realiza um tempo de expansão a cada duas rotações do virabrequim. 𝜌𝑎 é a densidade do

ar atmosférico, calculada assumindo-se que ele se comporte como um gás ideal. A

metodologia utilizada neste trabalho para encontrá-la está detalhada no Apêndice I.

A vazão de ar admitida pelo motor pode ser medida diretamente, por meio de um

dispositivo específico (a sonda MAF, sigla de mass air flow, ou medidor de vazão de ar),

ou calculada, por meio da equação 3-4.

𝜆 =

�̇�𝑎�̇�𝑐

⁄

(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 ↔ �̇�𝑎 = 𝜆 ∗ (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 ∗ �̇�𝑐

(3.4)

A equação 3-5 representa como foi calculada a eficiência volumétrica neste

trabalho. É a mesma maneira utilizada por AMORIM (2005), CARVALHO et al. (2008),

MACHADO (2012), MELO (2012) e VILLELA et al. (2014).

𝜂𝑣 =

�̇�𝑎

�̇�𝑎,𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎=

2 ∗ 𝜆 ∗ (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 ∗ �̇�𝑐

𝜌𝑎 ∗ 𝑉𝑑 ∗ 𝑁 (3.5)

A densidade do ar na equação 3-5 é a densidade do ar seco, atmosférico. Assim, a

eficiência volumétrica calculada a partir desse valor corresponde à eficiência volumétrica

de todo o sistema de admissão de ar. Alternativamente, a densidade pode ser calculada

com os valores de pressão e temperatura como informados pela sonda MAP. Caso essa

abordagem seja adotada, a eficiência volumétrica resultante corresponde apenas à

eficiência do coletor e das válvulas de admissão, apenas (HEYWOOD, 1988).

Porém, a pressão medida pelo sensor MAP corresponde à pressão absoluta no

coletor, o que inclui o ar seco dentro deste, o vapor d’água naturalmente presente e o

combustível vaporizado. Devido à dificuldade adicional deste cálculo, para este trabalho

apenas a eficiência volumétrica “total” (isto é, a correspondente a todo o sistema de

admissão) foi calculada.

É interessante notar que os veículos normalmente operam longe do ponto de

máxima eficiência volumétrica. Como o consumo de ar é limitado pela borboleta, o

máximo consumo de ar possível para uma dada rotação do motor (e, portanto, a máxima

eficiência volumétrica do motor para essa rotação) acontece apenas quando a borboleta

se encontra paralela ao escoamento do ar, em WOT. Assim, apenas quando o pedal do

19

acelerador está totalmente pressionado é que o motor opera com a máxima eficiência

volumétrica possível.

Por isso, quando o acelerador está totalmente pressionado diz-se que o motor está

a plena carga, para uma dada rotação fixa. Esse nome é devido ao fato que essa condição

corresponde à maior potência possível de ser desenvolvida para essa rotação, ou seja, a

maior carga que o motor pode fornecer. Alternativamente, posições intermediárias do

acelerador são denominadas cargas parciais do motor.

3.3.2 Eficiência global

O consumo de ar, portanto, é regulado pelo pedal do acelerador. A partir da vazão

de ar, a ECU calcula a vazão de combustível a ser injetada. Assim, uma maneira de se

medir a eficiência do veículo é pela relação entre a vazão de ar consumida e a vazão

teórica de ar que poderia ser consumida, como na eficiência volumétrica. Uma outra

maneira de se expressar a eficiência do veículo é pela razão entre a potência útil e aquela

entregue pelo combustível.

A potência útil do veículo é a taxa com que ele realiza trabalho útil. O trabalho

útil de um veículo é girar os seus pneus. A força de atrito, entre o solo e os pneus do

veículo, impede que eles girem livremente, e impulsiona o veículo para a frente. Assim,

para se medir a potência útil desenvolvida pelo veículo basta medir o atrito entre os pneus

e o solo e a velocidade do veículo. Um dinamômetro pode realizar essa medição; é

possível medir a força que o dinamômetro precisa exercer para manter os pneus do

veículo em uma rotação constante. A potência útil instantânea desenvolvida pelo veículo

é então o produto dessa força exercida pelo dinamômetro pela velocidade do veículo.

Já a máxima energia química que o combustível pode liberar na combustão é dada

pelo produto entre a massa de combustível consumida pelo motor por ciclo (𝑚𝑐) e o poder

calorífico do combustível. Alternativamente, pode-se definir uma “Potência química”

disponibilizada pelo combustível. Basta multiplicar pelo poder calorífico não a massa de

combustível consumido por ciclo, mas sim a vazão horária deste (�̇�𝑐).

A relação entre a massa de combustível consumida por ciclo do motor e a vazão

mássica total de combustível é dada pela equação 3-6.

�̇�𝑐 =

𝑚𝑐 ∗ 𝑁

2

(3.6)

O poder calorífico do combustível define a sua densidade energética. Ele pode ser

determinado em um teste padronizado, no qual uma massa conhecida de combustível é

completamente oxidada por ar. A energia térmica liberada pela combustão é absorvida

por um calorímetro, enquanto os produtos da combustão resfriam até a temperatura

original dos reagentes.

Combustíveis que possuem hidrogênio na sua composição formam água como um

dos produtos da sua combustão completa. Assim, o valor da energia liberada pela reação,

e, portanto, a própria definição de Poder Calorífico, depende se a água formada está no

estado líquido ou gasoso. Assim, define-se Poder Calorífico Superior (PCS) a energia

20

liberada quando a água, ao fim da combustão, é condensada até o estado líquido. O Poder

Calorífico Inferior (PCI), por sua vez, é medido quando a água se encontra no estado

gasoso ao fim da combustão. Esses dois valores estão, portanto, relacionados pela

equação 3-7 (BRUNETTI, 2014).

𝑃𝐶𝑆 = 𝑃𝐶𝐼 + 𝑚𝐻2𝑂 ∗ ℎ𝑣𝑎𝑝,𝐻2𝑂 (3.7)

Na equação 3-7, ℎ𝑣𝑎𝑝,𝐻2𝑂 representa a entalpia necessária para vaporizar uma

unidade de massa de água, na pressão e temperatura da reação, padronizadas. 𝑚𝐻2𝑂 é a

massa de água produzida pela combustão total de uma unidade de massa de combustível.

É costume padrão do estudo de motores de combustão interna o uso do Poder Calorífico

Inferior, já que produzem, na quase totalidade dos casos, água no estado gasoso como

produto da combustão.

Uma vez conhecidas a potência útil desenvolvida pelo veículo (𝑃𝑢), o consumo

horário de combustível, e o poder calorífico inferior do combustível, é possível calcular

a eficiência global do veículo por meio da equação 3-8 (HEYWOOD, 1988). Embora

HEYWOOD (1988) chame essa relação de "eficiência de conversão do combustível",

este trabalho usa a nomenclatura de MELO (2012) e MACHADO (2012), "eficiência

global".

𝜂𝑔 =

𝑃𝑢

�̇�𝑐 ∗ 𝑃𝐶𝐼

(3.8)

3.3.3 Eficiência mecânica

Nem todo o trabalho liberado na combustão do combustível está disponível para

os pneus sob a forma de energia útil. A porção da energia liberada pelo combustível

dissipada no próprio motor é chamada de “Potência Total de Fricção” (𝑃𝑡𝑓). Uma vez

conhecidas a potência total de fricção e potência útil desenvolvida pelo veículo, a

eficiência mecânica fica definida conforme a equação 3-9 (HEYWOOD, 1988).

𝜂𝑚 =

𝑃𝑢

𝑃𝑢 + 𝑃𝑡𝑓

(3.9)

A energia liberada pelo combustível é dissipada de várias maneiras diferentes, o

que diminui a potência útil disponível. A potência total de fricção é uma fração

suficientemente grande da energia liberada pelo combustível para que o tópico seja de

grande importância no design dos motores. Perdas por fricção afetam, entre outros, o

torque útil máximo e o consumo de combustível diretamente. Uma grande parte das

perdas por fricção aparecem como calor no fluido de arrefecimento e no óleo lubrificante,

que precisam ser removidos no refrigerador e/ou por um sistema de resfriamento do óleo.

Perdas por fricção, portanto, influenciam o tamanho dos sistemas de refrigeração dos

motores, e o design do motor como um todo.

A potência total de fricção é definida por HEYWOOD (1988) como a diferença

entre a energia liberada pelo combustível e a potência útil que as rodas do veículo

desenvolvem para movê-lo. É considerado que o combustível libera energia ao fluido

21

ativo apenas durante os tempos de compressão e expansão. A energia liberada pelo

combustível é gasta de várias maneiras diferentes.

1) 𝑃𝑝: Para admitir uma nova mistura através do sistema de admissão, e para expelir

os gases queimados do cilindro para fora através do sistema de exaustão. Essa

parte é usualmente chamada de potência de bombeamento (Pumping Work), e será

chamada nesse trabalho de 𝑃𝑝.

2) 𝑃𝑓: Para vencer a resistência ao movimento relativo de todas as partes móveis do

motor. Isso inclui a fricção entre os anéis e a saia do pistão e a parede do cilindro;

fricção entre o pistão a biela, e entre esta e o virabrequim; fricção entre o

virabrequim e o eixo de comando de válvulas; fricção no próprio sistema de

válvulas em si; fricção nas engrenagens, correias e polias para movimentar os

acessórios do motor. Esta parte será representada pelo símbolo 𝑃𝑓.

3) 𝑃𝑎: Para movimentar os acessórios do motor. Esses podem incluir, entre outros: a

ventoinha do radiador, a bomba do fluido de arrefecimento, a bomba de óleo, a

bomba de combustível, o alternador, e etc. Essa parte será representada pelo

símbolo 𝑃𝑎.

4) 𝑃𝑡+𝑟𝑑: Para vencer a fricção no sistema de transmissão, a resistência ao rolamento

dos pneus, e a resistência do ar. No presente trabalho, a resistência ao rolamento

dos pneus traseiros e a resistência do ar não serão analisadas, pois o veículo é de

tração dianteira e os testes realizados foram com o veículo parado sobre o

dinamômetro. Assim, essa última parte da energia fornecida pelo combustível,

gasta no rolamento dos pneus dianteiros e no sistema de transmissão será

representada pelo símbolo 𝑃𝑡+𝑟𝑑.

Toda essa energia é, no fim, dissipada como calor. O valor da potência total de

fricção, 𝑃𝑡𝑓 , aumenta conforma aumenta a carga no motor, e também conforme aumenta

a velocidade do motor. Ele pode ser calculado como a soma de seus componentes

individuais, conforme a equação 3-10, caso eles possam ser determinados ou estimados

individualmente (HEYWOOD, 1988):

𝑃𝑡𝑓 = 𝑃𝑝 + 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎 + 𝑃𝑡+𝑟𝑑 (3.10)

3.3.3.1 Determinação da resistência ao rolamento dos pneus

Uma parte da potência liberada pelo combustível é perdida na resistência ao

rolamento dos pneus e para vencer o atrito do sistema de transmissão (𝑃𝑡+𝑟𝑑). Essa

potência depende da velocidade com que giram os pneus e o sistema de transmissão.

Portanto, é diretamente proporcional à velocidade do veículo, como mostrado na equação

3-11 (HEYWOOD, 1988). Nessa equação, M é a massa do veículo, g a aceleração da

gravidade, V a velocidade do veículo e 𝐶𝑟 um coeficiente determinado empiricamente.

𝑃𝑡+𝑟𝑑 = 𝐶𝑟 ∗ 𝑀 ∗ 𝑔 ∗ 𝑉 (3.11)

É interessante notar que a potência necessária para vencer a resistência ao

rolamento dos pneus e a fricção no sistema de transmissão é proporcional à velocidade

do veículo, e não à sua aceleração. Assim, ela não depende da posição do pedal do

22

acelerador. 𝑃𝑡+𝑟𝑑 é a mesma para um veículo em carga máxima (WOT) ou em

desaceleração livre (pedal do acelerador não pressionado), contanto que a velocidade seja

a mesma nos dois casos.

Para se determinar 𝑃𝑡+𝑟𝑑 em um ensaio de dinamômetro, o sistema de transmissão

deve ser desconectado do motor, ou seja, o veículo deve ser posto em ponto morto. A

força medida pelo dinamômetro corresponde então apenas à necessária para vencer a

resistência ao rolamento dos pneus e a fricção no sistema de transmissão.

3.3.3.2 Determinação da potência total de fricção

Em um ensaio de veículo num dinamômetro de chassi, é difícil a medição das

potências de bombeamento (𝑃𝑝), de fricção interna no motor (𝑃𝑓) e devida aos acessórios

(𝑃𝑎) individualmente. Por isso é comum a realização de um Motoring Test, que estima de

uma vez a potência total de fricção 𝑃𝑡𝑓 (= 𝑃𝑡+𝑟𝑑 + 𝑃𝑝 + 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎) (HEYWOOD, 1988).

Neste teste o dinamômetro fornece a potência necessária para a rotação das rodas

e do motor do veículo, que possui a sua alimentação de combustível e o sistema de ignição

desconectados. Como não há ocorrência de combustão, o motor não produz potência.

Assim, a potência medida pelo dinamômetro corresponde à necessária para manter o

conjunto formado por pneus, sistema de transmissão, virabrequim e pistões em rotação

constante, além dos acessórios conectados ao virabrequim e da potência necessária para

bombear ar para os cilindros. É necessário, porém, definir qual é a relação entre a potência

medida em um teste Motored e numa situação “real”, isto é, com a ocorrência de

combustão.

A razão para isso é que podem ocorrer diferenças entre a potência medida dessa

maneira e a “real” potência total de fricção. A primeira diferença é na energia gasta na

fricção dos componentes do motor, 𝑃𝑓. A pressão e temperatura dentro do cilindro são

menores do que as produzidas pela combustão. Enquanto por um lado a menor

temperatura faz aumentar a folga entre o cilindro e pistão, diminuindo a fricção, por outro

diminui a temperatura do óleo lubrificante, o que aumenta a sua viscosidade, aumentando

a fricção. No geral, não há uma tendência clara da diferença da fricção em um teste tipo

Motored e um ensaio regular, com a combustão em funcionamento (HEYWOOD, 1988).

Por isso, este trabalho considerou-a igual nas duas situações.

Os acessórios do veículo, como a bomba de óleo lubrificante e a bomba do fluido

de arrefecimento, estão conectados ao virabrequim, do qual retiram a potência necessária

ao seu funcionamento. Assim, ao aplicar uma rotação ao virabrequim, o dinamômetro

causa o funcionamento dos acessórios do motor também. Essa energia consumida por

esses componentes é análoga à parcela de 𝑃𝑎, a potência consumida pelos acessórios. Ela

não é muito diferente da potência dos acessórios “real”, isto é, a que ocorre quando há

combustão nos cilindros. A razão para isso é que ela é uma função da quantidade e do

tipo de acessórios presentes, e não nas condições dentro do cilindro.

A maior diferença entre um ensaio deste tipo (Motored) e a condição real de uso

se dá na potência necessária para bombear o ar. Como não há combustível, as

23

características físico-químicas do fluido sendo bombeado se alteram. Além disso, devido

à diferença da composição do fluido sendo admitido pelos cilindros, uma mesma posição

do acelerador pode provocar vazões diferentes de ar nas duas situações (Motored e com

combustão). Por fim, a posição do acelerador afeta a vazão de ar de forma diferente nestas

situações.

ROSENBERG (1982) propôs uma relação entre 𝑃𝑝 e a soma das potências de

bombeamento, de fricção e dos acessórios (𝑃𝑝 + 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎), e como essa relação varia com

a variação da posição do acelerador. A variação dessa relação está mostrada na Figura

3-9 (ROSENBERG, 1982).

Figura 3-9 - Relação entre as perdas de bombeamento, fricção e acessórios

A porcentagem da carga no motor, na Figura 3-9, é a razão entre a potência útil

produzida pelo veículo e a potência útil produzida na mesma rotação, mas em WOT.

Logo, a figura mostra a relação 𝑃𝑝

𝑃𝑝+𝑃𝑓+𝑃𝑎 para diferentes posições do pedal do acelerador:

quanto menos se pressiona o acelerador, menos inclinada à passagem de ar fica a

borboleta, o que aumenta a potência necessária para bombear o ar.

A curva da figura foi bem ajustada (𝑅2 = 0,993) pelo polinômio de 4ª ordem da

equação 3-12. Nessa equação, %𝑐 representa a porcentagem da carga no motor, e 𝑓

representa a função que ajusta a relação 𝑃𝑝

𝑃𝑝+𝑃𝑓+𝑃𝑎 na Figura 3-9.

𝑓 = −1,347(%𝑐)4 + 3,817(%𝑐)3 − 3,394(%𝑐)2 + 0,743(%𝑐) + 0,443 (3.12)

24

Com essa equação, é possível realizar um ensaio Motored apenas em WOT, por

exemplo. Da potência total medida (𝑃𝑡𝑓), descontar a parcela referente às rodas e à

transmissão (𝑃𝑡+𝑟𝑑), e do resultado (𝑃𝑡𝑓 − 𝑃𝑡+𝑟𝑑 = 𝑃𝑝 + 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎) descobrir quanto é a

relação entre 𝑃𝑝 e 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎. Pela equação 3-12, para WOT, 26,2% do total 𝑃𝑝 + 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎

corresponde à perda por bombeamento (𝑃𝑝) e os outros 73,8% correspondem à soma entre

a perda por fricção e dos acessórios (𝑃𝑓 + 𝑃𝑎). Assim é possível estimar a perda por

bombeamento (𝑃𝑝) para as outras situações de carga no motor, dado que as perdas de

fricção e dos acessórios (𝑃𝑓 + 𝑃𝑎) podem ser consideradas independentes da carga do

motor.

3.3.4 Eficiência térmica

Por fim, nem toda a energia química presente no combustível consumido é

liberada no processo de combustão. A energia que é de fato transferida pelo combustível

para o fluido ativo durante os tempos de compressão e expansão é definido como o

trabalho indicado do motor, 𝑊𝑖,𝑐. Esse trabalho é definido, para o ciclo Otto padrão-ar,

como a diferença entre o trabalho realizado pelo fluido ativo na expansão e o trabalho

realizado sobre o fluido ativo na compressão, Figura 3-2. Para um motor Otto real, por

analogia, é definido como o trabalho realizado entre a o fechamento da válvula de

admissão e abertura da válvula de exaustão, como pode ser melhor analisado na Figura

3-10.

25

Figura 3-10 - Gráfico PxV de um motor Otto 4 tempos (MORAN & SHAPIRO,

2004, adaptada)

A Figura 3-10 representa a aproximação da Figura 3-2 para um motor Otto real 4

tempos. É possível ver os momentos de fechamento e abertura das válvulas de admissão

e escape, bem como os quatro tempos do motor e o momento da ignição. 𝑊𝑖,𝑐 só pode ser

corretamente calculado pela integral indicada na equação 3-13 cilindro (HEYWOOD,

1988), calculada no laço superior da Figura 3-10. Nessa equação, 𝑝 é a pressão e 𝑑𝑉, a

variação de volume. Quando calculada no laço inferior, a integral da equação 3-13

informa o trabalho de bombeamento para aquele cilindro e ciclo.

𝑊𝑖,𝑐 = ∫ 𝑝 𝑑𝑉

(3.13)

O nome da quantidade 𝑊𝑖,𝑐, trabalho indicado por ciclo por cilindro, se deve à

maneira como ela era calculada, conforme explicado por BRUNETTI (2014). Os ciclos

PxV reais, a partir dos quais 𝑊𝑖,𝑐 é calculado, eram traçados por aparelhos denominados

“Indicadores de Pressão”. Esse aparelho é constituído por um êmbolo ligado ao cilindro

do motor, do qual faz continuamente a tomada de pressão. Através de um conjunto

mecânico simples, o êmbolo é conectado ao traçador, que risca um gráfico sobre um

tambor, cujo movimento é sincronizado com o do próprio cilindro do motor. A Figura

3-11 mostra esquematicamente o funcionamento desse aparelho. Porém, segundo

BRUNETTI (2014), essa instrumentação foi gradativamente substituída pelo “Indicador

Eletrônico de Pressões”, devido às suas limitações.

26

Figura 3-11 - Esquema de um indicador mecânico de pressões (BRUNETTI, 2014,

adaptada)

Como já discutido, é mais conveniente trabalhar com a potência indicada (𝑃𝑖) do

que com o trabalho indicado por ciclo por cilindro (𝑊𝑖,𝑐), como na equação 3-14

(HEYWOOD, 1988). Z corresponde ao número de cilindros do motor.

𝑃𝑖 =

𝑍 ∗ 𝑊𝑖,𝑐 ∗ 𝑁

2

(3.14)

A potência indicada pode ser calculada não só a partir do trabalho indicado,

equação 3-14. Como a definição do trabalho total de fricção é a diferença entre o trabalho

entregue ao fluido ativo do motor por ciclo e o trabalho útil, a potência indicada pode ser

calculada a partir da soma entre a potência total de fricção e a potência útil, equação 3-15

𝑃𝑖 = 𝑃𝑡𝑓 + 𝑃𝑢 = 𝑃𝑝 + 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎 + 𝑃𝑡+𝑟𝑑 + 𝑃𝑢 (3.15)

A energia fornecida pelo combustível ao motor por ciclo não é totalmente liberada

como energia térmica pois a combustão real dentro do cilindro não é completa.

A combustão dentro do cilindro ocorre em temperaturas altas o suficiente para que

os gases queimados sofram dissociação; água (H2O) se separa em hidroxila (OH) e

hidrogênio (H), o dióxido de carbono (CO2) se separa em monóxido de carbono (CO) e

oxigênio (O), e o nitrogênio originário do ar atmosférico se combina com o oxigênio,

produzindo óxido de nitrogênio (NOx).

A combustão também não é completa devido ao efeito de quenching (extinção): a

parede do cilindro, mais fria do que os gases da combustão, causa a extinção abrupta da

combustão, devido ao resfriamento da frente de chama. Isso faz com que a mistura ar-

combustível próximo da parede não entre em combustão totalmente.

27

Outro efeito importante é aquele devido aos crevice volumes (volume de fenda).

A rosca aonde a vela é montada, o assento das válvulas de admissão e exaustão, e os

espaços atrás e entre os anéis são exemplos de crevice volumes. Nessas regiões, a frente

de chama não consegue se desenvolver completamente, ocasionando também combustão

incompleta.

Além disso, algumas das suposições numeradas na Tabela 3-1 não são verdadeiras

para os motores reais. A composição do fluido ativo não é constante no tempo, por

exemplo, e por isso a razão entre os seus calores específicos a pressão (𝑐𝑝) e volume (𝑐𝑣)

constantes (γ) não é constate. Na admissão o fluido ativo é uma mistura de ar atmosférico

e combustível vaporizado, e na expansão ele corresponde aos gases de exaustão. Além

disso, a combustão dura um tempo finito, e por isso não pode ser considerada como

ocorrendo de maneira isovolumétrica.

A eficiência térmica de um motor é dada então pela equação 3-16.

𝜂𝑡 =𝑃𝑖

�̇�𝑐 ∗ 𝑃𝐶𝐼=

𝑃𝑢 + 𝑃𝑡𝑓

�̇�𝑐 ∗ 𝑃𝐶𝐼 (3.16)

28

Capítulo 4: Procedimento Experimental

O programa Inovar-Auto, do governo federal, tem como objetivo estimular

projetos mais eficientes para os veículos fabricados no Brasil. Ele garante o desconto de

impostos de veículos que reduzam o seu consumo energético. Para se reduzir o consumo

energético dos veículos, é importante estudar como o veículo utiliza a energia fornecida

pelo combustível. É desejável que toda a energia seja usada para produzir potência útil,

porém isso não é possível.

A quantidade de veículos leves com motores Otto Flex no Brasil faz com que um

estudo focado nesse grupo seja interessante. Assim, este trabalho tem como objetivo

estudar as eficiências desse tipo de veículo, e como as condições operativas do veículo

impactam essas eficiências. Como pode ser visto na equação 4-1, a condição operativa e

as eficiências do veículo impactam diretamente a potência útil do veículo.

𝑃𝑢 = 𝜂𝑣 ∗ 𝜂𝑡 ∗ 𝜂𝑚 ∗ 𝜌𝑎 ∗ 𝑉𝑑 ∗𝑁

2 ∗ 𝜆∗

𝑃𝐶𝐼

(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 (4-1)

A equação 4-1 é obtida agrupando-se as equações 3-5, 3-8, 3-9 e 3-16, e é

mencionada em HEYWOOD (1988). Os três primeiros termos são as eficiências

volumétrica (𝜂𝑣), térmica (𝜂𝑡) e mecânica (𝜂𝑚) (a eficiência global, 𝜂𝑔, é o produto das

eficiências térmica e mecânica). 𝜌𝑎, a densidade do ar seco atmosférico, depende das

condições do ambiente no momento do teste. Para a homologação do veículo, a potência

útil é corrigida para condições padrão de 25°C e 99kPa de pressão atmosférica seca,

segundo a norma NBR-1585 (ABNT, 1996). 𝑉𝑑 é o volume deslocado pelos pistões a

cada rotação, um parâmetro do projeto do veículo.

Todos os outros parâmetros dependem da condição de operação do veículo. 𝑁 é a

rotação do motor, que depende da velocidade do veículo. 𝜆 é a razão ar-combustível

relativa, e depende da calibração da Unidade de Controle Eletrônica (Electronic Control

Unit, ECU). 𝑃𝐶𝐼, o poder calorífico inferior, e (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡, a razão ar-combustível

estequiométrica, dependem da seleção do combustível.

Assim, este trabalho estudou a influência das condições operativas sobre as

eficiências volumétrica (equação 3-5), global (equação 3-8), mecânica (equação 3-9) e

térmica (equação 3-16) de um veículo leve Otto Flex.

4.1 Veículo

Após a definição das eficiências a serem calculadas, foi definido um veículo a ser

ensaiado para esse trabalho. Foi selecionado um veículo leve do ciclo Otto Flex comum

na frota brasileira no ano de 2015. O veículo utilizado no experimento tinha 21.276 km

rodados no início do experimento. A Tabela 4-1 apresenta informações encontradas no

manual do proprietário, e que foram consideradas relevantes para este trabalho.

29

Tabela 4-1 - Dados gerais do veículo

Gasolina Etanol

Potência 53 kW (72 cv)

@ 5250 RPM

56 kW (76 cv)

@ 5250 RPM

Torque máximo 95 Nm (9,7 kgfm)

@ 3850 RPM

104 Nm (10,6 kgfm)

@ 3850 RPM

Aceleração 0 – 100 km/h 13,5 s 13 s

Velocidade máxima 165 km/h 167 km/h

Número de cilindros, cilindrada 4 cilindros, 999 𝑐𝑚3

Razão de compressão 13:1

Válvulas, comando 2 válvulas por cilindro, SOHC

Velas de ignição Bosch F5DPP202

Transmissão Manual de 5 marchas

Rotação de marcha lenta 900±50 RPM

Pneus 175/70R14

Tara em ordem de marcha 1022 kg (incluindo o condutor)

Comprimento 3899 mm

Largura com espelhos retrovisores 1874 mm

Altura em vazio 1464 mm

Espaço livre em relação ao solo 163 mm (sem carga)

4.2 Combustíveis

Após a definição do veículo, foram selecionados os combustíveis para o

experimento. Como os veículos Flex funcionam tanto com etanol quanto com gasolina,

foi decidido utilizar esses dois combustíveis nos ensaios.

A Tabela 4-2 apresenta as principais características dos combustíveis utilizados.

Estão apresentados também os testes padronizados que permitiram a obtenção das

propriedades mencionadas. Todos os testes foram realizados em um laboratório

especializado em ensaios de combustíveis.

A razão ar-combustível estequiométrica foi calculada a partir das porcentagens

mássicas de cada um dos três constituintes dos combustíveis, carbono, hidrogênio e

oxigênio. A metodologia para o cálculo está apresentada no Apêndice II.

30

Tabela 4-2 - Propriedades mais relevantes dos combustíveis utilizados

Propriedade Teste Etanol Gasolina

Massa específica ASTM D4052 803,3 kg/m³ 749,8 kg/m³

PCI ASTM D8409 25269 kJ/kg 38658 kJ/kg

% Carbono (massa) ASTM 5291 48,8% 75,6%

% Hidrogênio (massa) ASTM 5291 13,0% 13,5%

% Oxigênio (massa) ASTM 5622 38,2% 10,9%

Razão ar-combustível

estequiométrica (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 - (Apêndice II) 8,43 12,86

Teor de etanol NBR 15531 95,0% 26,5%

As especificações a serem atendidas pelas gasolinas tipo A (sem a adição de etanol

anidro, não comercializada) e tipo C (com adição de etanol anidro e vendida nos postos

de abastecimento do país) são regulamentadas pela resolução n° 40 de 2013 da ANP

(ANP, 2013). As especificações a serem atendidas pelo etanol hidratado (etanol com em

torno de 5% de água, comercializado como combustível) e pelo etanol anidro (etanol com

em torno de 0,5% de água, não comercializado como combustível) são regulamentadas

pela resolução n° 19 de 2015 da ANP (ANP, 2015). O teor de etanol anidro na gasolina

tipo C varia sazonalmente, e atualmente é determinado pela portaria n° 75 de 2015 do

Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (BRASIL – MINISTÉRIO DA

AGRICULTURA, PECUÁRIA E ABASTECIMENTO, 2015) como sendo de 27% em

volume.

É interessante notar que a massa específica do etanol está ligeiramente abaixo da

especificação, que é de 805,2 kg/m³, no mínimo, porém esse fator não foi considerado

como fonte de problema para o funcionamento do veículo. O teor de etanol do AEHC

utilizado se encontra abaixo do limite mínimo da especificação, 95,1%. O teor de etanol

da gasolina utilizada se encontra dentro da margem de erro da especificação, de 27±1%.

4.3 Bancada experimental

A Figura 4-1 mostra o diagrama esquemático do ensaio experimental, incluindo

toda a instrumentação utilizada. Nela estão indicadas as variáveis medidas e o

posicionamento dos sensores.

31

Figura 4-1 - Diagrama esquemático dos sensores e da aquisição de dados

A força e a velocidade instantâneas do veículo foram obtidas diretamente pela

instrumentação interna do dinamômetro. Tais informações eram enviadas ao terminal de

controle e de lá para o computador final, através de um módulo roteador WiFi.

Além das informações oriundas diretamente do dinamômetro, foram instalados no

motor do veículo mais quatro sensores. A Figura 4-2 detalha o posicionamento desses

sensores no motor: um medidor de vazão (1), um tacômetro (2), um sensor MAP

(Manifold Absolute Pressure, 3) e um sensor λ (4).

32

Figura 4-2 - Posicionamento dos sensores no motor (BRUNETTI, 2014,

adaptada)

Esses sensores enviavam os seus sinais para o sistema de aquisição de dados

Compact-Rio 9024, da National Instruments, conforme indicado na Figura 4-1. A

controladora pode ser visualizada na Figura 4-3.

Figura 4-3 - Controladora National Instruments Compact-Rio 9024

Os sinais analógicos vindos dos sensores eram transformados em digitais pela

controladora e enviados para o módulo roteador WiFi, que repassava para o computador

final para gravação.

No computador final os dados eram gravados em formato “.xls” pela programação

em LabVIEW. Trata-se de uma linguagem de computação gráfica, desenvolvida pela

33

National Instruments para facilitar a automação e a realização de medições. Ela realiza a

interface entre código e sensores, facilitando a aquisição e gravação dos dados obtidos.

Assim, foi escrito um código em LabVIEW, no computador final, que automatizava o

processo de gravação dos dados recebidos.

A Figura 4-4 apresenta um panorama do motor. É indicada a localização dos

sensores instalados no veículo e alguns dos elementos principais do motor. No veículo

testado o filtro de ar está diretamente acima do coletor de admissão do motor e por isto o

sensor MAP está encoberto. O detector do medidor de vazão é conectado em série na

linha de combustível, a qual termina nos injetores. Ele foi instalado por baixo do motor,

em um ponto de conexão favorável com a linha. O sensor λ foi instalado em um furo no

coletor de exaustão, atrás do radiador. O sensor indutivo do tacômetro encontra-se

conectado ao cabo de ignição da vela do primeiro cilindro.

Figura 4-4 - Panorama geral do motor

4.4 Descrição dos equipamentos

As seções seguintes apresentam um melhor detalhamento dos equipamentos

utilizados nesse trabalho. Todos eles pertencem ao laboratório onde o experimento foi

realizado.

4.4.1 Dinamômetro

O dinamômetro utilizado no experimento foi o AVL ZÖLLNER Chassiss Dyno

48’’ Compact 2WD. Consiste em um rolo, sobre o qual o veículo é posto, e um terminal

para interface e controle. O rolo possui sensores de força e velocidade, e essas duas

informações podem ser apresentadas no e/ou controladas pelo terminal. O veículo é posto

sobre o dinamômetro sobre o seu eixo de tração, e as rodas do seu eixo movido são presas

ao chão do laboratório, para evitar que o movimento do rolo arraste o veículo. Como

medida de segurança, o para-choque dianteiro do veículo também é amarrado.

34

A Figura 4-5 apresenta o terminal do dinamômetro. A partir dele, era possível

controlar a velocidade a que o veículo seria submetido. Os dados de força gerado pelas

rodas do veículo, e da velocidade do veículo eram comunicados ao terminal. A Tabela

4-3 apresenta uma seleção dos dados técnicos e de calibração do dinamômetro.

Tabela 4-3 - Dados do dinamômetro

Velocidade máxima 200 km/h

Força máxima 10000 N

Diâmetro do rolo 1219,2 mm

Acurácia da força medida 0,1% em toda a escala

Tolerância da velocidade medida 0,01% para velocidades maiores que 2 km/h

Figura 4-5 - Terminal de controle do dinamômetro

35

4.4.2 Medidor de vazão

O consumo de combustível foi medido pelo detector Yokogawa ROTAMASS 3-

Series RCCS30, em conjunto com o conversor Yokogawa ROTAMASS 3-Series

RCCF31. O instrumento mede o fluxo de massa utilizando o princípio da força de

Coriolis. Quando um fluxo de massa flui dentro de um tubo, e este tubo vibra em um eixo

perpendicular à direção de escoamento do fluxo, o fluxo sofre a ação da força de Coriolis.

Essa força causa uma deformação no tubo. Essa deformação é medida por sensores, sendo

posteriormente convertida em um sinal elétrico. Um desenho esquemático de um medidor

de vazão de Coriolis genérico está mostrado na Figura 4-6, para facilitar o entendimento

do seu funcionamento.

Figura 4-6 - Esquema de um medidor de vazão – Coriolis (BRUNETTI, 2014)

Para que o medidor pudesse medir o consumo de combustível, era necessário que

o fluxo de combustível passasse por ele. Assim, a linha de combustível foi desconectada

dos injetores e conectada na entrada do detector remoto do medidor. A Figura 4-7 mostra

o detector remoto do medidor de vazão ROTAMASS utilizado no experimento.

Devido ao modo de funcionamento do detector, o fluxo precisa passar em uma

direção determinada, indicada pela seta no topo do detector. Caso a linha de combustível

seja montada no detector de forma invertida, o consumo lido será negativo.

36

Figura 4-7 - Detector remoto do medidor de vazão ROTAMASS

Devido ao princípio da força de Coriolis, o detector mede o fluxo mássico

diretamente, não sendo necessário informar as propriedades do fluido a ser medido. O

fluxo mássico é convertido para um sinal elétrico no detector remoto. Esse sinal é enviado

ao conversor, mostrado na Figura 4-8. O conversor possui um visor, que permite a leitura

instantânea do valor do fluxo mássico. Alternativamente, o sinal elétrico pode ser enviado

a um dispositivo de gravação para análise posterior. Essa segunda alternativa foi a

utilizada nesse trabalho; o sinal era enviado à controladora Compact-Rio 9024.

37

Figura 4-8 - Conversor do medidor de vazão do ROTAMASS

A Tabela 4-4 apresenta uma seleção das informações técnicas mais relevantes

presente no manual do equipamento.

Tabela 4-4 - Dados Técnicos do Medidor de Vazão ROTAMASS

Detector Yokogawa ROTAMASS 3-Series RCCS30

Conversor Yokogawa ROTAMASS 3-Series RCCF31

Vazão máxima no detector 100 kg/h

Estabilidade ao redor do 0 0,005 kg/h

Amplitude da temperatura

de funcionamento

-10°C – 50°C

Acurácia da medição de

vazão 0,1% ∗ 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 +

𝐸𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑎𝑜 𝑟𝑒𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 0

𝑉𝑎𝑧ã𝑜∗ 100%

4.4.3 Sensor MAP

A determinação da pressão e da temperatura dentro do coletor de admissão foram

feitas utilizando-se um sensor MAP da Bosch, modelo 0 261 230 031. Sensores MAP (da

sigla em inglês Manifold Absolute Pressure) medem a pressão absoluta dentro do coletor

de admissão. O sensor usado nesse trabalho possuía um termômetro acoplado, o que

permite a medição da pressão e da temperatura absolutas dentro do coletor de admissão.

38

A Figura 4-9 mostra um desenho esquemático do funcionamento de um sensor

MAP. O elemento sensível do sensor é uma célula de força (Strain Gauge), que separa

duas câmaras. A câmara superior na figura contém vácuo. A câmara inferior está

conectada diretamente ao coletor de admissão por um tubo, e por isso está à mesma

pressão que ele. A diferença de pressão provoca uma deformação na membrana, o que

altera a sua resistência elétrica. Essa alteração na resistência elétrica altera a voltagem dos

terminais do sensor, o que pode ser lido como um sinal elétrico.

Figura 4-9 - Desenho esquemático de um Sensor MAP

O sensor MAP original do veículo, porém, não permitia uma leitura da pressão. A

razão para isso é que ele é de código fechado, ou seja, não é se sabe a relação entre a

voltagem indicada pelo sensor e a pressão no coletor de admissão. Assim, foi decida a

instalação de um sensor MAP adicional, próximo ao sensor original do veículo. O sinal

em Volts desse sensor podia ser lido e transformado em uma medida de pressão, enquanto

os dados do sensor original do veículo eram usados pela ECU para o seu funcionamento

normal.

4.4.4 Sensor lambda

O sensor lambda mede a concentração de oxigênio dos gases da exaustão. Existem

dois tipos de sensores, os de banda estreita (narrow band) e os de banda larga (wide band).

Os de banda estreita são mais simples, e por isso mais baratos; os de banda larga, mais

complexos e caros.

O sensor lambda de banda estreita é formado por um eletrólito cerâmico, coberto

por platina nas superfícies interior e exterior. A superfície interior está em contato com o

ar externo, e a exterior com os gases de escape. A temperaturas acima de 300°C (como

as tipicamente encontradas no escapamento de um veículo), o eletrólito cerâmico torna-

se condutor e pode gerar uma carga. Quando a mistura é rica (menos ar do que o

necessário para realizar a combustão completa do combustível admitido, 𝜆 < 1) há pouco

oxigênio nos gases de escape. Isso cria um grande diferencial entre a concentração de

39

oxigênio no interior e no exterior, fazendo com que íons de oxigênio viagem pelo

eletrólito, criando uma tensão entre os eletrodos. Quando a mistura é pobre (excesso de

ar, 𝜆 > 1), o aumento do teor de oxigênio nos gases de escape elimina essa diferença de

potencial, fazendo a tensão cair para perto de zero. A Figura 4-10 ilustra um sensor

lambda banda estreita, montado no cano do escapamento.

Figura 4-10 - Sensor lambda banda estreita esquemático (BRUNETTI, 2014,

adaptado)

O sensor lambda banda larga, por sua vez, não informa apenas se a mistura no

escapamento está rica (𝜆 < 1) ou pobre (𝜆 < 1). Esse tipo de sensor possui uma resposta

linear a uma extensão maior de valores de 𝜆. A sua construção se dá ao redor de uma

“câmara de difusão”, assim nomeada por BOWLING & GRIPPO (2004). Essa câmara

está separada dos gases do escapamento por um material poroso, que, sob a aplicação de

uma corrente, permite a passagem de oxigênio. Dentro da câmara de difusão há um sensor

lambda de banda estreita. O gás do escapamento pode entrar na câmara através de um

pequeno furo no meio do material poroso. Um desenho esquemático de um sensor lambda

banda larga pode ser visualizado na Figura 4-11.

40

Figura 4-11 - Sensor lambda banda larga esquemático (BOWLING & GRIPPO,

2004, adaptada)

Quando o gás do escapamento é pobre, há oxigênio em excesso. O sinal do sensor

banda estreita ativa a passagem de corrente dentro do material poroso. Com a passagem

de corrente, o material poroso começa a funcionar como uma bomba, removendo

oxigênio de dentro da câmara, até que seja alcançado dentro dela um equilíbrio (𝜆 = 1),

informado pelo sensor banda estreita. Quando o gás do escapamento é rico, há deficiência

de oxigênio dentro da câmara de difusão. O sinal do sensor lambda banda estreita ativa a

passagem de corrente no material poroso no sentido inverso. Na falta de oxigênio no gás

do escapamento, o material poroso estimula e eletrólise da água e do dióxido de carbono

presentes no gás.

A corrente no material poroso necessária para manter o equilíbrio (𝜆 = 1) dentro

da câmara de difusão é o sinal do sensor lambda banda estreita. A sua vantagem sobre o

sinal de um sensor banda estreita é a sua maior linearidade em uma faixa maior de 𝜆.

Enquanto a saída de um sensor banda estreita é calibrada para coincidir com 𝜆 = 1 apenas

em uma faixa estreita de voltagens, e retornar apenas valores de “mistura rica” ou

“mistura pobre” fora dela, a saída de um sensor banda larga é uma faixa de corrente

elétrica mais ampla. Isso pode ser visualizado na Figura 4-12.

41

Figura 4-12 - Sinal de saída típico dos sensores lambda tipo banda larga e

estreita

Embora o veículo já possuísse um sensor lambda instalado, este era do tipo banda

estreita, e, assim como o sensor MAP, não permitia a aquisição dos dados medidos, por

ser de código fechado. Por isso foi decido pela instalação de um sensor extra, do tipo

banda larga. O sensor instalado foi o BOSCH LSU 4.9. A Tabela 4-5 (BOSCH, 2015)

apresenta alguns dados técnicos selecionados do manual do sensor, e a Figura 4-13 mostra

uma imagem do modelo utilizado. Enquanto o sensor original do veículo garantia o

funcionamento, o sensor BOSCH enviava o seu sinal à controladora Compact-Rio,

através do módulo lambda ETAS ES630, mostrado na Figura 4-14.

Tabela 4-5 - Dados técnicos do sensor lambda BOSCH LSU 4.9

Amplitude de λ 0,65 a ∞

Máxima temperatura dos gases de escape 930°C

Acurácia em λ=0,8 0,010

Acurácia em λ=1 0,007

Acurácia em λ=1,7 0,050

42

Figura 4-13 - Sensor lambda Bosch LSU 4.9 (BOSCH, 2015)

Figura 4-14 - Módulo lambda ETAS ES630

4.4.5 Tacômetro

Para a medição da velocidade de rotação do motor, foi utilizado o tacômetro

SmartTach Universal Speed Measurement Tool, da ATI – Accurate Technologies, Inc.

O seu princípio de funcionamento está baseado na detecção da corrente elétrica

viajando no fio de ignição. Como já abordado na seção 3.2 (Componentes do Motor Otto

4 Tempos Real), a vela é responsável por causar a ignição da mistura ar-combustível. A

ignição ocorre devido a uma faísca entre os eletrodos da vela. A energia necessária para

a faísca é fornecida pela bateria do veículo, e o momento da ignição é comandado pela

ECU. Em um motor Otto 4 tempos, a vela produz uma faísca a cada duas rotações do

43

virabrequim do motor. Assim, a frequência com que há passagem de corrente no fio da

vela é metade da frequência de rotação do virabrequim.

A passagem de corrente no fio de ignição é detectada por um sensor indutivo,

conforme mostrado na Figura 4-15. Quando corrente elétrica passa em um fio, o campo

magnético ao redor dele é alterado. Essa alteração é captada pelo sensor, que envia o sinal

ao módulo do SmartTach, Figura 4-16. A Tabela 4-6 apresenta uma seleção de dados

técnicos do SmartTach, conforme consultados no manual.

Figura 4-15 - Detalhe do sensor indutivo do tacômetro ao redor do cabo de

ignição

44

Figura 4-16 - Módulo do tacômetro SmartTach

Tabela 4-6 - Dados técnicos do tacômetro SmartTach

Acurácia da medição de rotação 5 RPM

Temperatura máxima de funcionamento 50 °C

Máxima voltagem no sensor indutivo 1000 V

Máxima velocidade de rotação medida 10000 RPM

4.4.6 Termo-higrômetro

As condições do ar dentro do laboratório foram determinadas com o auxílio do

Termo-higrômetro Minipa MTH-1362. Trata-se de um aparelho capaz de informar

temperatura, umidade relativa, ponto de orvalho e temperatura de bulbo úmido. Para as

aplicações do experimento, porém, apenas a temperatura e a umidade relativa foram

utilizadas.

A partir das informações de temperatura, umidade relativa e pressão barométrica

é possível determinar a densidade do ar seco no ambiente, que é utilizada no cálculo da

eficiência volumétrica (equação 3-5). A metodologia utilizada neste trabalho para o

cálculo da densidade do ar está apresentada no Apêndice I, e segue a metodologia

apresentada por MACHADO (2012).

A umidade relativa e a temperatura foram anotadas ao início e ao fim do

experimento com cada combustível. As informações de amplitude, resolução e acurácia

dos dados anotados estão mostradas na Tabela 4-7. A tabela apresenta também os valores

45

anotados para os experimentos. A Figura 4-17 mostra o modelo do termo-higrômetro

utilizado no experimento.

Tabela 4-7 - Informações do termo-higrômetro e condições ambiente

Amplitude da temperatura 0 – 60 °C

Amplitude da umidade relativa 0 – 100%

Acurácia da temperatura ±(0,1%+1°C)

Acurácia da umidade relativa ±2,5%

Começo do teste Fim do teste

Condições

ambientais

Etanol 23,3 °C; 58,0% UR 25,3 °C; 52,9% UR

Gasolina 24,1 °C; 56,3% UR 25,9 °C; 51,4% UR

Figura 4-17 - Imagem do termo-higrômetro Minipa MTH-1362 (MINIPA, 2014)

4.5 Matriz de testes

Após a definição das eficiências a serem medidas e da seleção do veículo a ser

ensaiado, foram definidas as condições de operação a serem testadas. Primeiramente

foram escolhidos os combustíveis para os testes. Como os veículos Otto Flex brasileiros

são adaptados para funcionarem com qualquer mistura de etanol hidratado e gasolina

brasileira (E27, com 27% em volume de etanol anidro), esses dois combustíveis foram

selecionados para os testes.

A seguir, foram definidas as condições nas quais o veículo seria ensaiado com

cada combustível. Foram selecionadas 5 velocidades e 5 posições do pedal do acelerador.

As 25 combinações possíveis dessas duas variáveis formam a chamada matriz de testes

dos ensaios regulares. Para a correta definição das eficiências mecânica e térmica,

46

conforme abordado na seção 3.3.3, foram realizados dois testes auxiliares, do tipo

Motored. No primeiro, o veículo foi ensaiado desengrenado, e foi determinada a potência

perdida devido à resistência ao rolamento dos pneus e do sistema de transmissão (𝑃𝑡+𝑟𝑑).

No segundo, o veículo foi ensaiado engrenado e em com o acelerador totalmente

pressionado (WOT), e assim foi possível determinar a potência total de fricção (𝑃𝑡𝑓). Uma

vez conhecida 𝑃𝑡𝑓 para a condição de WOT, foi possível estimar a potência total de

fricção para as outras condições de abertura da borboleta, utilizando a relação proposta

por ROSENBERG (1982), equação 3-12.

A determinação das velocidades a serem testadas foi feita com base na norma

NBR-7024 (ABNT, 2010). Essa norma prescreve o método para medição do consumo de

combustível de veículos leves (veículos com no máximo 3.865 kg) em dois ciclos de

condução desenvolvidos em dinamômetro de chassi. Esses ciclos correspondem a um

perfil de velocidades no tempo que simulam o uso do veículo no trânsito urbano e em

estrada. Em torno de um terço (32%) do tempo do ciclo urbano e metade do ciclo de

estrada (49,6%) se encontram entre 40 e 80 km/h. Por isso, foram testadas velocidades de

40 a 80 km/h em incrementos de 10 km/h.

Testes prévios, além da experiência dos engenheiros do CENPES com o veículo

testado, sugeriram a utilização da 3ª marcha para a faixa de velocidades escolhida. A

razão para isso é que essa faixa de velocidades, quando o veículo está na 3ª marcha,

corresponde a uma faixa de rotações acima da rotação de marcha lenta (~900 RPM) e

abaixo da rotação máxima recomendada (5.500 RPM). Por fim, as velocidades de 60 e 80

km/h correspondem a rotações do motor (3.875 e 5.162 RPM) próximas das rotações de

torque máximo e potência máxima (3.850 e 5.250 RPM), respectivamente, segundo

informado pelo manual do veículo.

A posição do acelerador foi determinada de maneira indireta. Como já explicado,

a inclinação da borboleta, no sistema de ar do motor, é controlada pelo pedal do

acelerador. A posição da borboleta controla a perda de carga no escoamento do ar

admitido, o que determina a pressão absoluta no coletor de admissão (MAP). A máxima

pressão MAP ocorre quando o veículo está em WOT (a máxima carga do motor, dada

uma velocidade constante do veículo) e é próxima da pressão atmosférica. A menor

pressão ocorre quando o acelerador não está pressionado, e a 80 km/h o valor da pressão

MAP foi de aproximadamente 31 kPa. De forma a criar uma faixa de pressões MAP com

intervalos igualmente espaçados, foram selecionados os valores de 40 a 100 kPa, em

incrementos de 15 kPa.

Finalmente, após a definição da matriz de testes, o veículo foi instrumentado. A

definição dos sensores necessários ao ensaio foi feita baseado nas variáveis requeridas

para os cálculos das eficiências (equações 3-5, 3-8, 3-9, e 3-16). A Figura 4-18 ilustra

esquematicamente a concepção do experimento.

47

Figura 4-18 - Fluxograma do procedimento experimental

A matriz de teste, portanto, corresponde às combinações dos combustíveis

selecionados, das velocidades do veículo e das pressões MAP, conforme a Tabela 4-8.

Tabela 4-8 - Matriz de testes

Combustíveis utilizados Gasolina e etanol hidratado

Velocidades testadas (km/h) 40, 50, 60, 70 e 80

Pressões no coletor de admissão testadas (kPa) 40, 55, 70, 85 e WOT (~100)

Para cada velocidade testada, o condutor pressionava o pedal do acelerador de

modo a manter a pressão MAP aproximadamente constante e ao redor das pressões a

serem testadas, por em torno de 30 segundos cada uma. O tempo da mudança da posição

do acelerador era informado por um operador dentro da sala de controle do laboratório,

que monitorava o terminal de controle do dinamômetro e o computador final de gravação.

Uma vez informado do momento da mudança, o condutor pressionava o acelerador de

modo a alcançar a próxima pressão MAP a ser testada. Para informar a pressão MAP em

tempo real ao condutor, foi instalado um monitor em frente ao pára-brisa do veículo, que

mostrava a mesma imagem do computador final.

Uma vez testados todos os valores de pressão MAP, a próxima velocidade a ser

ensaiada era introduzida pelo operador no terminal de controle do dinamômetro. A

velocidade do veículo era controlada pelo dinamômetro, de modo a mantê-la constante.

A Figura 4-19 ilustra um diagrama da sequência dos ensaios realizados. Os testes

com Etanol Hidratado foram realizados na parte da manhã do dia 13 de novembro de

2015, e os testes com gasolina na parte da tarde do mesmo dia.

48

Figura 4-19 - Diagrama da sequência de ensaios realizados

49

Capítulo 5: Resultados e Discussões

Nesse capítulo serão abordados os resultados encontrados. A partir dos dados

fornecidos pelos sensores instalados no veículo, as eficiências volumétrica, global,

mecânica e térmica foram calculadas, segundo as equações 3-5, 3-8, 3-9, e 3-16.

Foi medida a pressão no coletor de admissão (pressão MAP), que está diretamente

relacionada com a carga no motor, conforme explicado no capítulo 4. A título de exemplo,

está apresentada na Figura 5-1 o resultado da variação da pressão MAP no tempo durante

o experimento com etanol, a 40 km/h. Os ressaltos na figura representam os momentos

em que o condutor foi instruído a aumentar a força no pedal do acelerador, provocando

um maior ângulo de abertura da borboleta e, consequentemente, uma menor perda de

carga no escoamento do ar admitido. A definição dos períodos de pressão MAP constante

foi feita visualmente, após a realização dos ensaios. Esses períodos estão assinalados na

figura pelas linhas verticais.

Figura 5-1 – Exemplo da pressão MAP: experimento com etanol, 40km/h

Para o exemplo apresentado, percebe-se visualmente que o período entre 17,5 e

49 segundos correspondeu ao intervalo no qual o condutor buscou manter a pressão MAP

constante ao redor de 40 kPa. Assim, foi tomada a média para cada umas das variáveis

medidas entre 17,5 e 49 segundos. Com esses valores então, foram calculadas as

eficiências para a condição de 40 kPa de pressão MAP, 40 km/h e etanol hidratado. As

eficiências para 55 kPa de pressão MAP, 40 km/h e etanol hidratado foram calculadas

com as médias das variáveis medidas entre 56,5 e 93 segundos, e assim sucessivamente.

Devido à dificuldade de se manter a pressão MAP perfeitamente constante durante

o experimento, e também devido à imprecisão do medidor, as médias da pressão MAP

não correspondem exatamente aos valores propostos na matriz de teste. A variabilidade

natural da pressão MAP pode ser visualizada na Figura 5-2. Esta figura apresenta a

50

pressão MAP para o experimento com etanol a 40 km/h no intervalo entre 17 e 49

segundos. Durante esse período, a média da pressão MAP foi de 39,7 kPa.

Figura 5-2 - Pressão MAP, ensaio com etanol hidratado, 40 km/h

As seções 5.1 a 5.4 apresentarão os resultados das eficiências calculadas, e

discutirão as tendências observadas. O apêndice III faz uma análise do cálculo das

incertezas experimentais, e o apêndice IV apresenta as médias das variáveis medidas em

cada uma das condições de operação, os valores calculados das eficiências e suas

incertezas.

5.1 Eficiência Volumétrica

As Figura 5-3 a Figura 5-7 mostram a influência da pressão absoluta no coletor de

admissão (a pressão MAP) sobre a eficiência volumétrica para cada uma das velocidades

testadas. Além disso, é possível ver também como o combustível utilizado altera o valor

da eficiência.

Nas figuras, a abscissa indica o valor da pressão MAP média durante o

experimento. Devido à variabilidade experimental, os valores da pressão não

correspondem exatamente aos valores da matriz de teste. Entretanto, a comparação das

tendências observadas ainda assim é válida.

Os valores da incerteza expandida da eficiência volumétrica dependem do próprio

valor da eficiência volumétrica, e, por isso, as barras de erros apresentadas nos gráficos

não são homogêneas. Uma discussão mais aprofundada sobre esse aspecto é feita no

apêndice IV. Os valores da incerteza expandida da eficiência volumétrica para o

experimento realizado ficaram entre 1% (em média, nas condições de 40 kPa de pressão

MAP) e 3% (em média, nas condições de WOT).

51

Figura 5-3 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios a 40 km/h

52



53



Como pode ser analisado nas Figura 5-3 a Figura 5-7, em apenas 6 das 25

condições testadas o etanol apresentou eficiência volumétrica média maior que a gasolina.

Esse resultado é o contrário do encontrado por COSTA & SODRÉ (2011) e BALKI &

SAYIN (2014), mas o mesmo encontrado por PINTO & NADAI (2008).

PINTO & NADAI (2008) explicaram a diferença no comportamento da eficiência

volumétrica pelo maior consumo de combustível com etanol do que com gasolina. A

54

Figura 5-8 mostrada a razão entre o consumo mássico de gasolina em relação ao etanol

para cada uma das combinações de velocidade e pressão MAP.

Figura 5-8 - Consumo mássico de gasolina em relação ao etanol para cada

condição operativa

Devido à sua maior razão ar-combustível estequiométrica ((𝐴 𝐶⁄ )𝑒𝑠𝑡), o consumo

de combustível com gasolina é menor do que com etanol (Figura 5-8): em média, o

consumo mássico de gasolina foi 66,1% do consumo com etanol.

Ao ser injetado no coletor de admissão, o combustível é vaporizado. A pressão

absoluta no coletor de admissão, então, é a soma das pressões parciais do ar seco e do

vapor d’água admitidos e do combustível vaporizado. Devido ao maior consumo mássico,

a pressão parcial do combustível com etanol é maior do que com gasolina.

Consequentemente, a pressão parcial do ar seco é menor nos ensaios com etanol do que

com gasolina. A menor pressão parcial do ar seco diminui a sua densidade, acarretando

redução na sua vazão mássica, o que por sua vez implica na diminuição da eficiência

volumétrica. Na média de todos os ensaios, a gasolina promoveu um aumento de 1,9% na

eficiência volumétrica em relação ao etanol.

É importante abordar, no entanto, que caso as incertezas expandidas sejam levadas

em consideração, não é possível verificar diferença entre os dois combustíveis no

resultado da eficiência volumétrica. Todos as diferenças se encontram dentro das barras

de erros, como pode ser confirmado na figura, o que indica que um estudo mais

aprofundado desse assunto é necessário.

Outra conclusão a ser feita a partir das Figura 5-3 a Figura 5-7 é a relação direta

entre a pressão MAP e a eficiência volumétrica. Como já abordado no capítulo 3, o pedal

do acelerador controla a inclinação da borboleta em relação à passagem de ar, diminuindo

ou aumentando a perda de carga no escoamento do ar admitido. Essa perda de carga

55

controla a pressão no coletor de admissão (a pressão MAP, após a borboleta), diretamente

relacionada com a densidade do ar admitido. Quanto maior for a densidade do ar

admitido, maior será a eficiência volumétrica (equação 3-5).

A seguir, as Figura 5-9 e Figura 5-10 apresentam uma abordagem diferente dos

resultados da eficiência volumétrica. Nelas é possível analisar mais claramente a

influência da velocidade do veículo na eficiência volumétrica.

56

Figura 5-9 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios com etanol

Figura 5-10 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios com gasolina

Conforme pode ser visto nas Figura 5-9 e Figura 5-10, a velocidade de 60 km/h

foi a que promoveu, em geral, a maior eficiência volumétrica, enquanto a de 40 km/h, a

menor. Em média, os ensaios a 60 km/h apresentaram eficiência volumétrica 14,5% maior

em relação à velocidade de 40 km/h.

57

Conforme já abordado no capítulo 4, a velocidade de 60 km/h em 3ª marcha

corresponde a uma rotação do motor de 3.875 RPM. Essa rotação é bem próxima da

rotação de máximo torque do veículo, 3.850 RPM, conforme o manual do proprietário.

Essa pode ser uma das razões que expliquem a influência da velocidade do veículo na

eficiência volumétrica observada.

Devido ao fato de que a máxima potência do veículo é desenvolvida na condição

de WOT (Wide Open Throttle), torna-se interessante uma análise mais detalhada dos

resultados de eficiência volumétrica nessa condição. A Figura 5-11 mostra esta análise,

ilustrando a influência do combustível utilizado e da velocidade do veículo na condição

de WOT.

Figura 5-11 – Análise da eficiência volumétrica para os ensaios em WOT

Devido aos elevados valores de incerteza expandida para a eficiência volumétrica

nas condições de WOT, uma análise satisfatória da influência dos combustíveis fica

bastante prejudicada. De qualquer modo, caso se desconsidere a incerteza, a condição de

60 km/h a gasolina se mostrou a mais favorável.

58

5.2 Eficiência Global

As Figura 5-12 a Figura 5-16 mostram a influência da pressão MAP e do

combustível utilizado na eficiência global para cada velocidade testada. Para essa

eficiência, não foi notada variação significativa da incerteza expandida com a alteração

da condição operativa. Assim, um valor médio de ±0,1%, é suficiente para as análises,

sendo, porém, quase imperceptível na escala das figuras apresentadas.

Figura 5-12 – Resultado da eficiência global para os ensaios a 40 km/h

59

Figura 5-13 - Resultado da eficiência global para os ensaios a 50 km/h


60



Analisando as Figura 5-12 a Figura 5-16, é possível perceber a influência do

combustível na eficiência global. Para cargas baixas do motor (baixos valores de pressão

MAP) a gasolina tende a ser mais eficiente do que o etanol. Essa tendência se inverte, no

entanto, uma vez que a carga do motor se aproxima da carga máxima. Nos testes com 40

kPa de pressão MAP, a gasolina promoveu, em média, um aumento na eficiência global

61

de 12,6% em relação ao etanol. Por sua vez, nos testes em WOT, o etanol promoveu, em

média, um aumento de 10,2% em relação à gasolina.

Através daquelas figuras, é possível concluir que a carga no motor (a pressão

MAP) influencia a eficiência global. À exceção de um único ensaio, com etanol a 40

km/h, a pressão MAP que resultou na máxima eficiência global foi a de 85 kPa. Isso

indica que o aumento da carga do motor, em geral, leva a um aumento da eficiência global

do veículo. Porém, na situação de carga máxima do motor (WOT), foi observada uma

queda na eficiência global. Em média, a eficiência global com 85 kPa de pressão MAP

foi 2,7% maior em relação à condição de WOT.

A exemplo do que foi feito para a eficiência volumétrica, foi observada a

influência da velocidade do veículo e da carga do motor na eficiência global (Figura 5-17

e Figura 5-18).

Figura 5-17 - Resultado da eficiência global para os ensaios com etanol

62

Figura 5-18 - Resultado da eficiência global para os ensaios com gasolina

Em relação à condição de 85 kPa de pressão MAP, a queda na eficiência global

na condição de carga máxima (WOT) foi devido ao fator λ. Enquanto nos ensaios em

WOT o veículo operou com mistura rica (λ<1), em todos os outros ele operou com mistura

estequiométrica (λ≈1). Essa calibração dos veículos é usual pelas montadoras, pois

proporciona um aumento na potência (MELO, 2007, MELO et al., 2011, MELO, 2012, e

VICENTINI, 2011). Porém, tendo em vista o comportamento da eficiência global, esse

aumento na potência não compensa o aumento do consumo de combustível

proporcionado pelo enriquecimento da mistura. Essa deficiência entre o consumo de

energia química do combustível e a potência útil se reflete na queda da eficiência global.

Mesmo não sendo a condição mais eficiente, uma análise mais detalhada da

condição WOT ainda assim é relevante, pois é nela que o veículo produz a maior potência.

Assim, a Figura 5-19 mostra a influência da velocidade do veículo e do combustível

utilizado no valor da eficiência global, em carga máxima.

63

Figura 5-19 - Análise da eficiência global para os ensaios em WOT

Como pode ser analisado na Figura 5-19, o etanol promove uma maior eficiência

global do veículo do que a gasolina. Em média, 10,2%. Isso se reflete nos valores de

torque e potência máximos do veículo informados no manual do proprietário: ambos são

maiores com etanol do que com gasolina, o que está de acordo com os valores de

eficiência global encontrados no experimento.

64

5.3 Eficiência Mecânica

As Figura 5-20 a Figura 5-24 mostram a influência da pressão MAP e do

combustível utilizado na eficiência mecânica do veículo para cada velocidade testada. A

incerteza expandida também não apresentou grande variação com a mudança da condição

de operação, sendo o valor médio ±0,2%, conforme abordado no apêndice IV. No nível

de escala das figuras apresentados, as barras de erro são quase imperceptíveis.

Figura 5-20 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios a 40 km/h

65



66



A eficiência mecânica, como pode ser visualizado nas Figura 5-20 a Figura 5-24,

apresenta tendências semelhantes à eficiência global. Em situações de baixas cargas do

motor (pressões MAP menores que 70 kPa, aproximadamente), a gasolina tende a

promover uma maior eficiência mecânica que o etanol. Essa tendência se inverte quando

se aumenta a carga do motor. Nos testes de carga mínima do motor, com 40 kPa de

pressão MAP, a gasolina promoveu um aumento na eficiência mecânica, em média, de

67

13,5% em relação ao etanol. Já nos testes com carga máxima, em WOT, o etanol

promoveu um aumento de 3,6%, em média, em relação à gasolina.

As Figura 5-25 e Figura 5-26 apresentam uma análise por combustível da

eficiência mecânica. Nelas é possível analisar a influência da velocidade do veículo e da

carga do motor no resultado da eficiência mecânica.

Figura 5-25 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios com etanol

68

Figura 5-26 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios com gasolina

As Figura 5-25 e Figura 5-26 corroboram a tendência de aumento da eficiência

com o aumento da carga, já mostrada nas Figura 5-20 a Figura 5-24. Além disso, pode-se

notar a influência da velocidade do veículo na eficiência mecânica. Enquanto para cargas

baixas os melhores valores de eficiência parecem ser alcançados com velocidades

intermediárias, em cargas altas a eficiência é maior em baixas velocidades. Assim, nas

condições de pressão MAP igual a ou menor que 70 kPa, a velocidade de 60 km/h

apresentou uma eficiência mecânica, em média, 14,4% maior em relação a de 80 km/h.

Nas condições de pressão MAP igual a ou acima que 85 kPa, a velocidade de 40 km/h

apresentou uma eficiência mecânica em média 6,9% maior em relação a de 80 km/h.

A Figura 5-27 ilustra a influência do combustível utilizado e da velocidade do

veículo na eficiência mecânica apenas na condição de WOT.

69

Figura 5-27 - Análise da eficiência mecânica para os ensaios em WOT

HEYWOOD (1988) menciona que a eficiência mecânica de um motor na

condição de carga máxima (WOT) é em torno de 90% ao redor de 2.400 RPM, caindo

para 75% próximo da rotação máxima do motor. A velocidade de 40 km/h em 3ª marcha

para esse veículo corresponde a uma rotação do motor de aproximadamente 2.586 RPM,

e a de 80 km/h, em torno de 5.160 RPM, próxima da rotação máxima, 5.500 RPM. Porém,

a eficiência mecânica média para essas duas velocidades em WOT foi de 74% e 68%,

respectivamente, menores que os mencionados por HEYWOOD (1988). A razão da

diferença é que HEYWOOD (1988) trata da eficiência mecânica de um motor apenas, e,

por isso, não considera as perdas de eficiência devido à resistência ao rolamento dos pneus

e à fricção no sistema de transmissão (𝑃𝑡+𝑟𝑑). Essas perdas devem ser incluídas quando

se trata da eficiência mecânica de um veículo, o que diminui o resultado encontrado para

a eficiência mecânica nesse trabalho.

70

5.4 Eficiência Térmica

As Figura 5-28 a Figura 5-32 ilustram a influência da pressão absoluta no coletor

de admissão (a pressão MAP, diretamente relacionada com a carga do motor) e do

combustível utilizado na eficiência térmica do veículo. A incerteza expandida para a

eficiência térmica também não apresentou grande variação com a mudança das condições

operacionais, sendo, em média, de ±0,3%. Na escala das figuras apresentadas, portanto,

é quase imperceptível.

Figura 5-28 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios a 40 km/h

71



72



A partir da análise das Figura 5-28 a Figura 5-32, é possível ver a interação das

influências do combustível utilizado, da pressão MAP e da velocidade do veículo na

eficiência térmica. Em velocidades intermediárias (entre 50 e 70 km/h), o etanol resultou

em valores de eficiência térmica maiores que a gasolina, independentemente da carga no

motor. Em média, nessas condições operativas o etanol resultou em um aumento de 5,7%

na eficiência térmica em relação à gasolina. Já nos dois valores extremos de velocidade

73

testadas (40 e 80 km/h), o etanol foi mais eficiente apenas em valores mais elevados de

carga no motor (pressões MAP iguais a ou maiores que de 70 kPa). Para essas condições,

o etanol resultou num aumento relativo da eficiência térmica de em média 3,9%.

Em geral, a diminuição da carga do motor promoveu um aumento na eficiência

térmica, em tendência contrária às eficiências volumétrica, global e mecânica. Em média,

a eficiência térmica com 40 kPa de pressão MAP foi 54,7% maior em relação à condição

de carga máxima (WOT).

A seguir, as Figura 5-33 e Figura 5-34 apresentam uma análise da eficiência

térmica separada por combustível, onde as influências da carga do motor e da velocidade

do veículo podem ser melhor visualizadas.

Figura 5-33 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios com etanol

74

Figura 5-34 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios com gasolina

A partir da análise das Figura 5-33 e Figura 5-34, é possível ver a influência da

carga do motor na eficiência térmica. Para os dois combustíveis e para todas as

velocidades testadas a eficiência térmica apresentou queda com o aumento da carga do

motor.

Por isso, torna-se interessante uma análise da eficiência térmica no seu ponto mais

crítico, em carga máxima. A Figura 5-35 apresenta a influência do combustível utilizado

e da velocidade do veículo nesta condição de operação.

75

Figura 5-35 - Análise da eficiência térmica para os ensaios em WOT

Como pode ser visualizado na Figura 5-35, o etanol promove uma eficiência

térmica maior que a gasolina na condição de carga máxima (WOT). Em média 6,4%.

76

Capítulo 6: Conclusões e Proposta de Trabalhos Futuros

Este trabalho estudou a influência das condições de operação de um veículo leve

Otto Flex nas suas eficiências. O veículo utilizado no ensaio foi selecionado por ser um

bom representante da frota nacional. O veículo foi ensaiado com etanol hidratado e

gasolina brasileira (E27) e em combinações de velocidades e pressões no coletor de

admissão conforme detalhadas no capítulo 4.

Foram calculadas então as eficiências volumétrica, global, mecânica e térmica do

veículo nas condições ensaiadas. A partir dos dados obtidos, várias conclusões podem ser

tiradas.

1. Eficiência volumétrica

O controle da potência dos veículos Otto Flex é realizado pela borboleta. A sua inclinação

determina a perda de carga no escoamento do ar, aumentando ou diminuindo a vazão

deste.

Carga: o aumento da carga do motor leva a um aumento da eficiência volumétrica.

Combustível: foi observado que a gasolina promoveu uma eficiência volumétrica

levemente maior que o etanol hidratado. No entanto, esse aumento não foi

significativo, devido à alta incerteza do experimento.

Velocidade do veículo: a velocidade que promoveu a melhor eficiência

volumétrica foi a de 60 km/h, pois a essa velocidade a rotação do motor é próxima

da rotação de máximo torque.

2. Eficiência global

Carga: o aumento da carga leva a um aumento da eficiência global. Entretanto, a

condição de carga máxima não promove a máxima eficiência global, devido ao

enriquecimento da mistura ar-combustível nesta condição (λ<1).

Combustível: a influência do combustível na eficiência global dependeu da carga

do motor. Em valores de baixa carga, a gasolina promoveu uma eficiência global

melhor. Esta tendência é invertida nas condições de altas cargas, com o etanol se

mostrando mais eficiente.

Velocidade: a influência da velocidade não foi a mesma em todas as situações de

carga e combustível. Para a gasolina, velocidades maiores do veículo

apresentaram melhor eficiência global em baixas cargas. Já em cargas altas, a

tendência foi invertida, com baixas velocidades sendo mais eficientes. Para o

etanol, velocidades intermediárias proporcionaram uma melhor eficiência global

em baixas cargas. Para a situação de altas cargas, a velocidade do veículo não se

mostrou tão influente no resultado da eficiência global.

77

3. Eficiência mecânica

Carga: foi observado que o aumento da carga do motor proporcionou um aumento

da eficiência mecânica, em todas as combinações de combustíveis e velocidades

do veículo.

Combustível: a influência do combustível na eficiência mecânica foi diferente

dependendo da condição de carga no motor. Enquanto em baixos valores de carga

a gasolina se mostrou melhor para a eficiência mecânica, em cargas altas foi o

etanol quem proporcionou a melhor eficiência.

Velocidade do veículo: a influência da velocidade do veículo na eficiência

mecânica também dependeu da condição de carga do motor. Enquanto em cargas

baixas a velocidade de 60 km/h foi a mais eficiente, em cargas altas foi a de 40

km/h.

4. Eficiência térmica

Carga: foi observado que o aumento da carga do motor levou a uma diminuição

da eficiência térmica do veículo, contrário ao encontrado para as outras

eficiências.

Combustível: a influência do combustível utilizado na eficiência térmica foi

diferente dependendo da condição de carga e velocidade do veículo. A gasolina

apresentou melhor resultado de eficiência térmica apenas nas velocidades

extremas (40 e 80 km/h) e em baixas cargas do motor (pressões MAP menores

que 70 kPa). Para as outras combinações (velocidades intermediárias, e

velocidades extremas com altas cargas do motor), o etanol apresentou maior

eficiência.

Velocidade: o aumento da velocidade levou a um aumento da eficiência térmica

para o ensaio com etanol em baixas cargas do motor. Para as outras condições

(etanol em altas cargas, e gasolina), a velocidade não apresentou influência

consistente no resultado da eficiência mecânica.

6.1 Propostas de trabalhos futuros

A partir das conclusões obtidas nesse trabalho, foi possível observar propostas de

continuação das pesquisas aqui realizadas.

Aprofundar o estudo das perdas devido ao bombeamento da mistura ar-

combustível nos tempos de admissão e exaustão, 𝑃𝑝. Embora a relação proposta

por ROSENBERG (1982) (Figura 3-9) seja uma base, é interessante estudar até

que ponto ela se mantém válida para os veículos modernos;

78

A definição da potência total de fricção (𝑃𝑡𝑓) segundo o método Motored resulta

em valores aproximados da real potência total de fricção durante o funcionamento

normal de um veículo (HEYWOOD, 1988). O autor faz comparações destas

diferenças para alguns testes de motores, porém seria interessante avançar o

estudo para testes em veículos;

Analisar situações de carga mais próximas das encontradas na determinação do

consumo de combustível, segundo a norma NBR-7024. Ao analisar as eficiências

do veículo nas condições operativas presentes na norma, é possível entender que

alterações no projeto resultarão na maior diferença dos valores de autonomia do

veículo.

Estudar outras combinações de combustíveis, de modo a encontrar o mais

eficiente. Entre os combustíveis líquidos a serem estudados, a gasolina pura (E0)

e o etanol anidro com 15% de gasolina (E85), comercializados nos Estados

Unidos, se mostram como opções imediatas. Outros combustíveis incluem o

metanol, o gás natural veicular (GNV) e misturas intermediárias de gasolina e

etanol hidratado (como as estudadas por MELO, 2012).

Procurar entender mais a fundo a influência do combustível na eficiência

volumétrica. Conforme abordado no capítulo 5, não é encontrado um consenso na

literatura sobre qual o melhor combustível para esta eficiência. Assim, é

interessante um estudo mais detalhado sobre a interação entre os diversos fatores

que influem no resultado desta, tais como a temperatura do coletor de admissão,

a temperatura do ambiente, a razão ar-combustível estequiométrica, a pressão

ambiente, entre outros.

Por fim, procurar que alterações no veículo produziriam a diminuição do consumo

energético necessário para atendimento ao limite do Inovar-Auto. Dentre as

citadas em CARVALHO (2009), a adoção de injeção direta de combustível (GDI)

e de um turbo-compressor (turbo-charger) se mostram as mais simples

79

Capítulo 7: Referências Bibliográficas

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85

Apêndice I: Determinação da Densidade do Ar Atmosférico

Para o cálculo da eficiência volumétrica, equação 3-5, torna-se necessário o

cálculo da densidade do ar seco, 𝜌𝑎. Esse valor pode ser calculado, caso a hipótese de gás

ideal seja válida e sejam conhecidos os valores de temperatura e pressão parcial do ar

seco. Esse Apêndice demonstra como foi calculado a pressão parcial de ar seco, seguindo

a metodologia apresentada por MACHADO (2012).

O ar atmosférico é assumido como sendo composto de dois gases ideais, ar seco

e vapor d’água. A pressão parcial do ar seco, Par, pode ser então calculada subtraindo-se

da pressão atmosférica, Patm, a pressão parcial do vapor d’água, Pv,H2o, equação I-1

(MACHADO, 2012).

𝑃𝑎𝑟 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑣,𝐻2𝑜 (I-1)

A pressão atmosférica, 𝑃𝑎𝑡𝑚, é lida com o auxílio de um barômetro. A pressão

parcial do vapor d’água no ambiente, 𝑃𝑣,𝐻2𝑜 , é calculado segundo a equação I-2

(MACHADO, 2012).

𝑃𝑣,𝐻2𝑜 = 𝑈𝑅 ∗ 𝑃𝑠𝑎𝑡,𝐻2𝑜 (I-2)

UR significa a umidade relativa ambiente, conforme informado pelo termo-

higrômetro (seção 4.4.6), e 𝑃𝑠𝑎𝑡,𝐻2𝑜 é a pressão de saturação do vapor d’água na

temperatura ambiente.

A pressão de saturação do vapor d’água a uma dada temperatura pode ser

encontrada consultando-se tabelas termodinâmicas, como as encontradas em MORAN &

SHAPIRO (2004), ou calculada segundo a metodologia de Antoine (NIST, 2010),

Equação I-3. Os coeficientes A, B e C estão listados na Tabela I-1 (NIST, 2010). T é a

temperatura ambiente, em Kelvin, e 𝑃𝑠𝑎𝑡,𝐻2𝑜 é dado em kPa.

𝑃𝑠𝑎𝑡,𝐻2𝑜 = 10𝐴−(

𝐵𝑇+𝐶

)

(I-3)

Tabela I-1 – Coeficientes da fórmula de Antoine para a água

Temperatura [K] A B C

273 a 303 7,40221 1838,675 -31,737

304 a 333 7,20389 1733,926 -39,485

334 a 363 7,07680 1659,793 -45,854

Assim, conhecendo-se a pressão atmosférica, 𝑃𝑎𝑡𝑚, a temperatura ambiente, 𝑇, e

a umidade relativa, UR, é possível determinar a pressão parcial do ar seco, 𝑃𝑎𝑟, aplicando

–se as Equações I-1, I-2 e I-3.

Uma vez conhecendo-se a pressão parcial de ar seco no ar atmosférico, e a

temperatura absoluta dele, é possível calcular a densidade deste, segundo a Equação I-4.

86

Caso seja utilizada a pressão ambiente em kPa, a temperatura em Kelvin, e o valor de 𝑅𝑎𝑟

de 287 J/(kg*K), o resultado da pressão é em unidades de kg/l.

𝜌𝑎 =

𝑃𝑎𝑟

𝑅𝑎𝑟 ∗ 𝑇 (I-4)

87

Apêndice II: Cálculo da (𝑨/𝑪)𝒆𝒔𝒕

A partir das porcentagens mássicas de Carbono (%𝐶𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎), Hidrogênio

(%𝐻𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 ) e Oxigênio (%𝑂𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎) dos combustíveis, conforme apresentado na Tabela

4-2, foi calculado a porcentagem molar desses constituintes para cada combustível. Isso

foi alcançado dividindo-se as porcentagens mássicas pela massa molecular de cada um

dos constituintes, conforme mostrado na Equação II-1.

As porcentagens molares de Carbono, Hidrogênio e Oxigênio são nomeadas por

HEYWOOD (1988) como “a”, “b” e “c”, respectivamente, e essa nomenclatura foi

utilizada nesse trabalho. Foram adotados, nesse trabalho, os valores de massa molecular

definidos em HEYWOOD (1988): Carbono: 12,011 kg/kmol; Oxigênio: 16 kg/kmol;

Hidrogênio: 1,008 kg/kmol. Os combustíveis podem ser representados então pela fórmula

química simplificada 𝐶𝑎𝐻𝑏𝑂𝑐, como feito em HEYWOOD (1988).

𝑎 = %𝐶𝑚𝑜𝑙 =

%𝐶𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎

𝑀𝑀𝐶 (II-1a)

𝑏 = %𝐻𝑚𝑜𝑙 =

%𝐻𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎

𝑀𝑀𝐻 (II-1b)

𝑐 = %𝑂𝑚𝑜𝑙 =

%𝑂𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎

𝑀𝑀𝑂 (II-1c)

A partir das porcentagens molares, HEYWOOD (1988) define a quantidade de

mols de 𝑂2 necessários para oxidar por completo o combustível, conforme Equação II-2.

𝑀𝑜𝑙𝑠 𝑂2 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡ã𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑡𝑎 = 𝑎 +

𝑏

4−

𝑐

2 (II-2)

Os veículos não utilizam oxigênio puro para realizar a combustão dos

combustíveis, mas sim ar atmosférico. Assim, torna-se necessário encontrar a proporção

em que oxigênio é encontrado no ar atmosférico. JONES (1978) utilizou em seu trabalho

a proporção de 20,496% de mols de O2 por mol de ar atmosférico seco, e essa proporção

foi utilizada nesse trabalho.

Por fim, como a razão ar-combustível estequiométrica é tipicamente expressa em

uma relação mássica (kg/kg), e não em uma relação molar (mol/mol), é necessário

encontrar a massa molecular do ar atmosférico. JONES (1978) calculou esse valor como

sendo de 28,963 𝑘𝑔

𝑘𝑚𝑜𝑙, a partir da determinação da proporção entre os vários constituintes

típicos do ar atmosférico seco, e esse valor também foi utilizado nesse trabalho.

Assim, a determinação da razão ar-combustível estequiométrica pode ser

facilmente encontrada segundo a Equação II-3.

(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 =

(𝑀𝑜𝑙𝑠 𝑂2 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡ã𝑜 ) ∗ (𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑜 𝑎𝑟)

(𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟çã𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑜 𝑂2 𝑛𝑜 𝑎𝑟 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑜)

88

(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 =(


12,011 +%𝐻𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎

1,008 ∗ 4 −%𝑂𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎

16 ∗ 2 ) ∗ (28,963)

0,20946

(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 = 138,3 ∗ (


12,011+

%𝐻𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎

4,032−

%𝑂𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎

32) (II-3)

89

Apêndice III: Determinação das Incertezas das Eficiências

As incertezas de medição foram calculadas segundo a metodologia descrita no

GUIA PARA A EXPRESSÃO DA INCERTEZA DE MEDIÇÃO (ABNT & INMETRO,

2003) e orientações de MELO (2006).

A incerteza de medição foi dividida em incerteza devido à repetitividade das

leituras realizadas (tipo A) e a incerteza devido ao instrumento (tipo B). A incerteza tipo

A (𝐼𝐴) foi calculada dividindo-se o desvio padrão das leituras pela raiz quadrada do

número de leituras. A incerteza do tipo B (𝐼𝐵) utilizada foi baseada nas incertezas de cada

instrumento, conforme mencionadas nas tabelas 4-3 a 4-7.

Para as variáveis de interesse obtidas diretamente pelo sistema de controle do

banco de provas e que não dependem de outras grandezas, as incertezas absolutas do tipo

B foram calculadas multiplicando-se a incerteza relativa reportada pelo fabricante do

instrumento pela média das leituras dos ensaios. No caso das variáveis de interesse

obtidas a partir de cálculos, que utilizam as grandezas lidas diretamente pelo sistema do

banco de provas, as incertezas do tipo B foram propagadas adotando-se a metodologia de

combinação das incertezas, segundo a equação III-1 (KLINE & MCCLINTOCK, 1953).

𝛿𝑅 = √(𝜕𝑅

𝜕𝑥1𝛿𝑥1)

2

+ (𝜕𝑅

𝜕𝑥2𝛿𝑥2)

2

+ ⋯ + (𝜕𝑅

𝜕𝑥𝑛𝛿𝑥𝑛)

2

III-1

Na equação III-1 𝛿𝑅 é a incerteza do tipo B da variável dependente de interesse,

𝑅 = 𝑅(𝑥1, 𝑥2, … , 𝑥𝑛), e 𝛿𝑥𝑛 são as incertezas do tipo B das variáveis independentes.

Com as incertezas do tipo A e tipo B, calculou-se a incerteza combinada, 𝐼𝐶 ,

segundo a equação III-2.

𝐼𝐶 = √𝐼𝐴

2 + 𝐼𝐵2 III-2

A incerteza expandida, 𝐼𝐸, por sua vez, é obtida pela multiplicação da incerteza

combinada pelo fator de abrangência k, conforme equação III-3. O valor assumido para o

fator de abrangência foi 2, consistindo em grau de confiança de 95% para a média da

variável de interesse.

𝐼𝐸 = 𝑘 ∗ 𝐼𝐶 III-3

A incerteza tipo B da eficiência volumétrica (𝛿𝜂𝑣) foi calculada com base na sua

definição (equação 3-5) e na fórmula geral da incerteza (equação III-1), resultando na

fórmula III-4.

𝛿𝜂𝑣 =

𝜂𝑣√(𝛿𝜆

𝜆)

2

+ (𝛿(𝐴 𝐶⁄ )𝑒𝑠𝑡

(𝐴 𝐶⁄ )𝑒𝑠𝑡)

2

+ (𝛿�̇�𝑐

�̇�𝑐)

2

+ (𝛿𝑃𝑎𝑟

𝑃𝑎𝑟)

2

+ (𝛿𝑇𝑎𝑚𝑏

𝑇𝑎𝑚𝑏)

2

+ (𝛿𝑉𝑑

𝑉𝑑)

2

+ (𝛿𝑁

𝑁)

2

. (III-4)

90

Da mesma maneira, as incertezas do tipo B para as fórmulas das eficiências global

(equação 3-8), mecânica (equação 3-9) e térmica (equação 3-16) foram calculadas, e os

resultados estão mostrados nas equações III-5 a III-7.

𝛿𝜂𝑔 = 𝜂𝑔√(𝛿𝐹

F)

2

+ (𝛿𝑉

𝑉)

2

+ (𝛿�̇�𝑐

�̇�𝑐)

2

+ (𝛿𝑃𝐶𝐼

𝑃𝐶𝐼)

2

(III-5)

𝛿𝜂𝑚 = 𝜂𝑚√(𝛿𝐹

𝐹)

2

+ (𝛿𝑉

𝑉)

2

+ [𝑃𝑢

2 + 𝑃𝑡𝑓2

(𝑃𝑢 + 𝑃𝑡𝑓)2] ∗ [(

𝛿𝐹

𝐹)

2

+ (𝛿𝑉

𝑉)

2

] (III-6)

𝛿𝜂𝑡 = 𝜂𝑡√(𝛿�̇�𝑐

�̇�𝑐)

2

+ (𝛿𝑃𝐶𝐼

𝑃𝐶𝐼)

2

+ [𝑃𝑢

2 + 𝑃𝑡𝑓2

(𝑃𝑢 + 𝑃𝑡𝑓)2] ∗ [(

𝛿𝐹

𝐹)

2

+ (𝛿𝑉

𝑉)

2

] (III-7)

Para o cálculo das incertezas foram utilizadas as informações das tabelas 4-3 a 4-

7. A tabela III-1 mostra os valores dos parâmetros de influência no cálculo das eficiências.

Os parâmetros que não foram mencionados explicitamente no capítulo 4 foram estimados.

Tabela III-1 – Incertezas dos parâmetros de influência no cálculo das eficiências

𝛿𝜆

𝜆= 0,007

𝛿(𝐴 𝐶⁄ )𝑒𝑠𝑡

(𝐴 𝐶⁄ )𝑒𝑠𝑡= 0,004

𝛿�̇�𝑐

�̇�𝑐= 0,001 +

0,005(𝑘𝑔2∗ℎ−2)

�̇�𝑐2

𝛿𝑃𝑎𝑟

𝑃𝑎𝑟= 0,005

𝛿𝑇𝑎𝑚𝑏

𝑇𝑎𝑚𝑏= 0,013

𝛿𝑉𝑑

𝑉𝑑= 0,001

𝛿𝑁 = 5 𝑅𝑃𝑀 𝛿𝐹

F= 0,001

𝛿𝑉

𝑉= 0,0001

𝛿𝑃𝐶𝐼

𝑃𝐶𝐼= 0,002

Aplicando-se os valores dos parâmetros da tabela III-1 nas equações III-4 a III-7,

é possível chegar em formas mais simplificadas para o cálculo da incerteza do tipo B das

eficiências abordadas nesse trabalho. Essas fórmulas simplificadas foram as utilizadas no

cálculo dos valores apresentados no apêndice IV, e estão apresentadas nas fórmulas III-8

a III-11.

𝛿𝜂𝑣 = 𝜂𝑣 ∗ 10−3√261 (III-8)

91

𝛿𝜂𝑔 = 𝜂𝑔 ∗ 10−3√6 (III-9)

𝛿𝜂𝑚 = 𝜂𝑚 ∗ 10−3√1 +𝑃𝑢

2 + 𝑃𝑡𝑓2

(𝑃𝑢 + 𝑃𝑡𝑓)2 (III-10)

𝛿𝜂𝑡 = 𝜂𝑡 ∗ 10−3√5 +𝑃𝑢

2 + 𝑃𝑡𝑓2

(𝑃𝑢 + 𝑃𝑡𝑓)2 (III-11)

92

Apêndice IV: Resultados Experimentais

Os resultados de velocidade não apresentaram variação entre o valor inserido no

terminal de controle do dinamômetro e o valor médio medido pelo próprio dinamômetro.

Por isso eles são os mesmos da matriz de testes, e, portanto, foram suprimidos desse

apêndice.

IV.1 Rotação

Devido à estreita relação entre a rotação do motor e a velocidade do veículo, a

variação encontrada para a medição da rotação foi pequena. Assim, foram utilizados

apenas os valores médios desta, apresentados abaixo.

Tabela IV-1 – Resultados médios da rotação do motor (RPM)

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Rotação (RPM) 2586 3231 3875 4519 5162

IV.2 Força

Tabela IV-2 - Resultados da medição de força, experimento com etanol (N)

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 236,6 327,4 367,4 322,0 293,0

55 571,8 660,4 744,2 703,0 713,1

70 957,4 1062,3 1115,2 1083,1 1083,5

85 1298,8 1415,5 1527,2 1487,2 1449,2

100 1854,6 1935,9 1992,0 1935,1 1914,9

93

Tabela IV-3 - Resultados da medição de força, experimento com gasolina (N)

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 248,9 364,6 346,6 435,9 384,4

55 619,0 674,3 770,2 711,9 683,9

70 935,5 1005,8 1134,4 1028,3 995,5

85 1328,0 1380,4 1413,5 1360,3 1358,7

100 1743,8 1774,3 1768,1 1670,4 1585,8

Os resultados de potência útil foram calculados multiplicando-se a força medida

pela velocidade, equação IV-1.

𝑃𝑢[𝑘𝑊] =𝐹[𝑁] ∗ 𝑉[

𝑘𝑚ℎ ]

3600 [𝑠ℎ

]

(IV-1)

IV.3 Consumo de combustível

Tabela IV-4 - Resultados do consumo de combustível, experimento com etanol

(kg/h)

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 3,10 4,23 5,51 6,22 6,69

55 4,38 5,78 7,62 8,63 9,83

70 5,84 7,76 9,74 11,08 12,64

85 7,11 9,36 12,12 13,90 15,84

100 10,12 12,91 16,35 19,09 21,20

94

Tabela IV-5 - Resultados do consumo de combustível, experimento com gasolina

(kg/h)

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 1,95 2,97 3,41 4,49 4,50

55 2,93 3,93 5,13 5,70 5,96

70 3,68 4,94 6,77 7,50 8,28

85 4,90 6,59 8,09 9,27 10,62

100 6,43 8,52 10,67 12,14 12,88

IV.4 Pressão MAP

Conforme abordado no capítulo 5, os resultados de pressão MAP apresentaram

pequenas diferenças entre o valor proposto na matriz de testes e a média real dos

experimentos.

Tabela IV-6 - Médias da pressão MAP, experimento com etanol (kPa)

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 39,72 40,49 40,14 39,34 39,39

55 53,53 53,34 54,39 53,52 55,01

70 69,39 69,32 68,81 68,38 69,52

85 83,42 83,48 84,90 84,27 83,56

100 100,52 100,28 100,09 99,71 99,28

95

Tabela IV-7 - Médias da pressão MAP, experimento com gasolina (kPa)

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 39,36 40,93 38,23 42,55 41,67

55 54,11 52,96 54,56 53,41 53,85

70 66,99 67,25 71,93 69,02 70,57

85 83,85 84,77 83,38 83,24 86,18

100 99,55 99,35 99,04 98,69 98,33

IV.5 Lambda

Conforme abordado no capítulo 5, é usual que os veículos sejam calibrados para

funcionar com valor de λ estequiométrico em cargas parciais, e λ rico (λ<1) em WOT.

Tabela IV-8 - Resultado da razão ar-combustível relativa (λ), experimento com

etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 1,00 1,00 1,00 0,99 0,99

55 1,00 1,00 1,00 0,99 0,99

70 1,00 1,00 0,99 0,99 0,99

85 1,00 1,00 1,00 1,00 0,99

100 0,93 0,93 0,92 0,92 0,93

96

Tabela IV-9 - Resultado da razão ar-combustível relativa (λ), experimento com

gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 1,00 1,00 1,00 1,00 0,99

55 1,00 0,99 1,00 1,00 0,99

70 0,99 1,00 1,00 1,00 1,00

85 1,00 1,00 1,00 1,00 0,99

100 0,97 0,95 0,94 0,94 0,96

IV.6 Potência total de fricção (𝑷𝒕𝒇)

A potência total de fricção foi medida em um ensaio Motored, conforme detalhado

no capítulo 3, com a injeção de combustível desconectada e o veículo engrenado, com o

acelerador totalmente pressionado (WOT).

Tabela III-10 - Resultado da potência total de fricção, ensaio Motored, veículo

engrenado e em WOT (𝑃𝑡𝑓)

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Potência total de

fricção, 𝑃𝑡𝑓 (kW) 7,14 9,12 11,61 14,50 18,08

97

IV.7 Potência devido à resistência ao rolamento das rodas

A potência devido à resistência ao rolamento das rodas foi medida em um ensaio

Motored, conforme detalhado no capítulo 3, com a injeção de combustível desconectada

e o veículo desengrenado.

Tabela III-11 - Resultado da potência perdida devido à resistência ao rolamento

das rodas e ao atrito interno do sistema de transmissão, ensaio Motored, veículo

desengrenado (𝑃𝑡+𝑟𝑑)

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Potência de resistência ao

rolamento, 𝑃𝑡+𝑟𝑑 (kW) 1,07 1,41 1,75 2,03 2,41

IV.8 Eficiência Volumétrica

A eficiência volumétrica foi calculada conforme a equação 3-5. A sua incerteza

combinada foi calculada com base na incerteza fruto das imprecisões dos equipamentos

(tipo B) e com base na variabilidade experimental dos parâmetros de influência (tipo A).

Tabela IV-12 - Resultados da eficiência volumétrica - experimento com etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 29,0% 31,6% 34,3% 33,1% 31,2%

55 40,9% 43,1% 47,6% 45,9% 45,7%

70 54,5% 57,8% 60,6% 59,2% 58,8%

85 66,1% 70,1% 75,5% 74,5% 73,8%

100 87,7% 90,2% 94,4% 94,1% 92,8%

98

Tabela IV-13 - Resultados da eficiência volumétrica - experimento com gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 27,8% 34,1% 32,7% 37,0% 32,3%

55 41,8% 44,9% 49,0% 46,8% 42,6%

70 52,3% 56,5% 64,7% 61,7% 59,6%

85 69,9% 75,5% 77,3% 76,3% 75,9%

100 89,2% 93,0% 95,8% 93,9% 88,8%

Tabela IV-14 - Incerteza tipo A da eficiência volumétrica - experimento com

etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,02%

55 0,02% 0,02% 0,02% 0,02% 0,02%

70 0,03% 0,03% 0,03% 0,02% 0,03%

85 0,04% 0,03% 0,04% 0,03% 0,03%

100 0,05% 0,04% 0,04% 0,03% 0,04%

Tabela IV-15 - Incerteza tipo A da eficiência volumétrica - experimento com

gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,03% 0,02% 0,02% 0,02% 0,02%

55 0,04% 0,03% 0,03% 0,02% 0,03%

70 0,04% 0,04% 0,03% 0,03% 0,03%

85 0,05% 0,05% 0,04% 0,04% 0,05%

100 0,06% 0,06% 0,07% 0,04% 0,05%

99

Tabela IV-16 - Incerteza tipo B da eficiência volumétrica - experimento com

etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,5% 0,5% 0,6% 0,5% 0,5%

55 0,7% 0,7% 0,8% 0,7% 0,7%

70 0,9% 0,9% 1,0% 1,0% 0,9%

85 1,1% 1,1% 1,2% 1,2% 1,2%

100 1,4% 1,5% 1,5% 1,5% 1,5%

Tabela IV-17 - Incerteza tipo B da eficiência volumétrica - experimento com

gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,4% 0,6% 0,5% 0,6% 0,5%

55 0,7% 0,7% 0,8% 0,8% 0,7%

70 0,8% 0,9% 1,0% 1,0% 1,0%

85 1,1% 1,2% 1,2% 1,2% 1,2%

100 1,4% 1,5% 1,5% 1,5% 1,4%

Tabela IV-18 - Incerteza expandida da eficiência volumétrica - experimento com

etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,9% 1,0% 1,1% 1,1% 1,0%

55 1,3% 1,4% 1,5% 1,5% 1,5%

70 1,8% 1,9% 2,0% 1,9% 1,9%

85 2,1% 2,3% 2,4% 2,4% 2,4%

100 2,8% 2,9% 3,1% 3,0% 3,0%

100

Tabela IV-19 - Incerteza expandida da eficiência volumétrica - experimento com

gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,9% 1,1% 1,1% 1,2% 1,0%

55 1,4% 1,5% 1,6% 1,5% 1,4%

70 1,7% 1,8% 2,1% 2,0% 1,9%

85 2,3% 2,4% 2,5% 2,5% 2,5%

100 2,9% 3,0% 3,1% 3,0% 2,9%

Como é possível perceber, nem a velocidade nem o combustível alteraram

significativamente o valor da incerteza expandida da eficiência volumétrica. Assim, os

valores apresentados nas barras de erro dos gráficos do subcapítulo 5.1 (Resultados e

Discussões – Eficiência Volumétrica) são os valores médios para cada uma das pressões

MAP testadas, conforme a

Tabela IV-20 - Incerteza expandida média da eficiência volumétrica

Pressão MAP (kPa)

40 55 70 85 WOT

1,0% 1,4% 1,9% 2,4% 3,0%

IV.9 Eficiência Global

Tabela IV-21 – Resultados da eficiência global – experimento com etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 12,09% 15,31% 15,83% 14,34% 13,88%

55 20,66% 22,61% 23,19% 22,58% 22,96%

70 25,96% 27,10% 27,20% 27,07% 27,15%

85 28,92% 29,92% 29,92% 29,63% 28,97%

100 29,01% 29,67% 28,92% 28,08% 28,59%

101

Tabela IV-22 – Resultados da eficiência global – experimento com gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 13,24% 15,89% 15,78% 17,57% 17,69%

55 21,87% 22,18% 23,31% 22,60% 23,76%

70 26,33% 26,32% 26,00% 24,82% 24,88%

85 28,04% 27,09% 27,13% 26,58% 26,47%

100 28,05% 26,94% 25,72% 24,92% 25,47%

Tabela IV-23 – Incerteza tipo A da eficiência global – experimento com etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

55 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

70 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

85 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

100 0,01% 0,01% 0,01% 0,00% 0,01%

Tabela IV-24 – Incerteza tipo A da eficiência global – experimento com gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

55 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,02%

70 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

85 0,02% 0,02% 0,01% 0,01% 0,02%

100 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

102

Tabela IV-25 – Incerteza tipo B da eficiência global – experimento com etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,03% 0,04% 0,04% 0,04% 0,03%

55 0,05% 0,06% 0,06% 0,06% 0,06%

70 0,06% 0,07% 0,07% 0,07% 0,07%

85 0,07% 0,07% 0,07% 0,07% 0,07%

100 0,07% 0,07% 0,07% 0,07% 0,07%

Tabela IV-26 – Incerteza tipo B da eficiência global – experimento com gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,03% 0,04% 0,04% 0,04% 0,04%

55 0,05% 0,05% 0,06% 0,06% 0,06%

70 0,06% 0,06% 0,06% 0,06% 0,06%

85 0,07% 0,07% 0,07% 0,07% 0,06%

100 0,07% 0,07% 0,06% 0,06% 0,06%

Tabela IV-27 – Incerteza expandida da eficiência global – experimento com

etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

55 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

70 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

85 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

100 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

103

Tabela IV-28 – Incerteza expandida da eficiência global – experimento com

gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

55 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

70 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

85 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

100 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

IV.10 Eficiência Mecânica

Tabela IV-29 – Resultados da eficiência mecânica – experimento com etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 21,10% 26,86% 28,08% 24,03% 20,79%

55 41,41% 45,02% 47,05% 43,73% 42,10%

70 57,48% 59,93% 59,78% 57,40% 55,35%

85 66,37% 67,97% 68,47% 66,39% 63,79%

100 74,26% 74,68% 74,09% 72,18% 70,19%

Tabela IV-30 – Resultados da eficiência mecânica – experimento com gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 22,02% 29,40% 27,07% 31,10% 26,53%

55 44,17% 46,24% 48,98% 45,15% 42,14%

70 57,20% 58,84% 61,01% 56,75% 53,93%

85 67,15% 67,61% 66,87% 64,51% 62,55%

100 73,06% 73,00% 71,73% 69,13% 66,10%

104

Tabela IV-31 – Incerteza tipo A da eficiência mecânica – experimento com etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

55 0,02% 0,02% 0,01% 0,01% 0,01%

70 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

85 0,01% 0,01% 0,01% 0,004% 0,01%

100 0,001% 0,001% 0,002% 0,003% 0,002%

Tabela IV-32 – Incerteza tipo A da eficiência mecânica – experimento com

gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

55 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

70 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

85 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

100 0,004% 0,005% 0,004% 0,005% 0,01%

Tabela IV-33 – Incerteza tipo B da eficiência mecânica – experimento com etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,03% 0,03% 0,04% 0,03% 0,03%

55 0,05% 0,06% 0,06% 0,05% 0,05%

70 0,07% 0,07% 0,07% 0,07% 0,07%

85 0,08% 0,09% 0,09% 0,08% 0,08%

100 0,09% 0,10% 0,09% 0,09% 0,09%

105

Tabela IV-34 – Incerteza tipo B da eficiência mecânica – experimento com

gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,03% 0,04% 0,03% 0,04% 0,03%

55 0,05% 0,06% 0,06% 0,06% 0,05%

70 0,07% 0,07% 0,08% 0,07% 0,07%

85 0,08% 0,08% 0,08% 0,08% 0,08%

100 0,09% 0,09% 0,09% 0,09% 0,08%

Tabela IV-35 – Incerteza expandida da eficiência mecânica – experimento com

etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

55 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

70 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

85 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%

100 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%

Tabela IV-36 – Incerteza expandida da eficiência mecânica – experimento com

gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

55 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

70 0,1% 0,1% 0,2% 0,1% 0,1%

85 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%

100 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%

106

IV.11 Eficiência Térmica

Tabela IV-37 – Resultados da eficiência térmica – experimento com etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 57,31% 56,98% 56,39% 59,69% 66,76%

55 49,88% 50,22% 49,29% 51,63% 54,53%

70 45,16% 45,23% 45,49% 47,16% 49,04%

85 43,58% 44,01% 43,70% 44,63% 45,41%

100 39,07% 39,73% 39,04% 38,91% 40,74%

Tabela IV-38 – Resultados da eficiência térmica – experimento com gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 60,12% 54,06% 58,29% 56,48% 66,65%

55 49,51% 47,97% 47,59% 50,06% 56,38%

70 46,04% 44,74% 42,62% 43,73% 46,13%

85 41,75% 40,07% 40,57% 41,21% 42,33%

100 38,39% 36,91% 35,85% 36,05% 38,53%

Tabela IV-39 – Incerteza tipo A da eficiência térmica – experimento com etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,03% 0,02% 0,02% 0,02% 0,03%

55 0,02% 0,02% 0,01% 0,01% 0,02%

70 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

85 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

100 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

107

Tabela IV-40 – Incerteza tipo A da eficiência térmica – experimento com gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,06% 0,02% 0,03% 0,02% 0,04%

55 0,04% 0,02% 0,02% 0,02% 0,04%

70 0,03% 0,02% 0,01% 0,01% 0,02%

85 0,02% 0,02% 0,01% 0,01% 0,02%

100 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%

Tabela IV-41 – Incerteza tipo B da eficiência térmica – experimento com etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,2%

55 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

70 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

85 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

100 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

Tabela IV-42 – Incerteza tipo B da eficiência térmica – experimento com gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,2%

55 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

70 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

85 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

100 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%

108

Tabela IV-43 – Incerteza expandida da eficiência térmica – experimento com

etanol

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,3% 0,3% 0,3% 0,3% 0,3%

55 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,3%

70 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%

85 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%

100 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%

Tabela IV-44 – Incerteza expandida da eficiência térmica – experimento com

gasolina

Velocidade (km/h)

40 50 60 70 80

Pressão

MAP

(kPa)

40 0,3% 0,3% 0,3% 0,3% 0,3%

55 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,3%

70 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%

85 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%

100 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%

Documents

análise das eficiências volumétrica, global, mecânica e térmica de