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I
Avaliação Energética e Ambiental de um Veículo
Diesel Recente
Daniel Filipe Tereso Rei
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Júri
Presidente: Prof. Luís Rego Cunha Eça
Orientadora: Drª Carla Alexandra Monteiro da Silva
Co-Orientador: Prof. Tiago Alexandre Abranches Teixeira Lopes Farias
Vogal: Prof. António Luis Nobre Moreira
Outubro 2007
I
Agradecimentos
Ao Professor Tiago Farias pelo incentivo à realização deste projecto e pelo entusiasmo que
incute aos seus alunos.
À Doutora Carla Silva pelo constante incentivo, disponibilidade, apoio e partilha de
conhecimentos.
Ao Engenheiro Gonçalo Gonçalves pelo inestimável apoio na instalação e operação do
laboratório experimental e pela ajuda na interpretação dos dados daí recolhidos.
Ao Engenheiro João Bravo pelo apoio na obtenção de dados dos simuladores utilizados.
Aos Engenheiros Lino Braz e Rogério Mota da BMW Portugal pela partilha de conhecimentos
técnicos relativos à viatura de teste.
À BMW Portugal pela autorização de utilização da viatura de testes para a instalação do
laboratório experimental.
Ao Concessionário BMW SDrive pela cedência das suas instalações e recursos para a
instalação inicial do laboratório experimental.
II
Resumo
O presente estudo visa a aplicação do simulador EcoGest ao caso de uma viatura ligeira
Diesel, para obtenção duma simulação do seu desempenho energético e ambiental (consumo
de gasóleo e emissão de HC, CO, NOx, PM e CO2) em determinado percurso, quando
conduzida de determinada forma. Para validar os valores de consumo de combustível
simulados, estes foram comparados com os medidos através da instalação de um laboratório
experimental numa viatura e com os valores divulgados na homologação desta.
Após seleccionada a viatura de teste e instalado o laboratório experimental, procedeu-se à
recolha de dados topográficos, dinâmicos e do consumo de combustível nos percursos
escolhidos. Com estes dados, foi simulado o consumo de combustível e a emissão de gases
de escape no EcoGest. Também o NEDC (New European Driving Cycle) foi simulado. O
consumo de combustível foi comparado com os valores recolhidos nos percursos de teste, com
uma diferença máxima de -2,5% entre o valor simulado e o medido, e com o anunciado para o
NEDC, com uma diferença de +5,9%.
Após a validação, foram construídos cenários adicionais de configuração da viatura e feita nova
simulação. No caso de uma transmissão com relações mais “longas”, obteve-se uma variação
máxima de -2,0% no consumo de combustível e quando aumentada a ocupação para 5
passageiros, de +3,9%. Ao reduzir-se o peso da viatura em 40%, estima-se uma variação
máxima de -19,2% e no caso da hibridização da viatura, de -17,4%. Estima-se que o sistema
de arranque automático permite uma variação máxima de -4,7%.
PALAVRAS-CHAVE: modelo instantâneo de consumos e emissões, veículos rodoviários,
motores de combustão interna, motores Diesel, desempenho energético e ambiental.
III
Abstract
This study concerns the application of the simulator EcoGest to the case of a Diesel light-duty
vehicle, to simulate its energetic and environmental performance (fuel consumption, HC, CO,
NOx, PM and CO2 emission) in a determined trip and when driven in a certain way. The
simulation figures were compared to data obtained through the installation of an experimental
laboratory in a test vehicle and to its homologation data, to allow validation of the simulator.
After being selected a test vehicle and being installed the experimental laboratory, topographic,
dynamic and fuel consumption data was collected in the chosen validation trips. This data was
used to simulate the fuel consumption and exhaust gas emissions on the trips. Also the NEDC
(New European Driving Cycle) was simulated. Simulated fuel consumption figures where
compared with the data collected through the experimental laboratory, with a maximum
difference of -2,5% for the measured trips and of +5,9% for the NEDC.
After validation of the simulated results, additional alternative scenarios for the vehicle
configuration were designed and the energetic and environmental performance were simulated.
The results were compared to the ones obtained with the original configuration. The usage of a
transmission with “longer” ratios resulted in a maximum variation on fuel consumption of -2,0%,
and with an occupation of 5 passengers, +3,9%. When the vehicle’s weight is reduced by 40%,
a maximum variation of -19,2% was obtained, and when the vehicle is hybridized, -17,4%. The
automatic start and stop system’s effect was estimated to be -4,7%.
KEY-WORDS: instantaneous fuel consumption and emission model, road vehicles, internal
combustion engines, Diesel engines, energetic and environmental performance.
IV
Índice
Agradecimentos.............................................................................................................................. I Resumo.......................................................................................................................................... II Abstract......................................................................................................................................... III Índice ........................................................................................................................................... IV Índice de Figuras ......................................................................................................................... VI Índice de Tabelas ......................................................................................................................... X Simbologia e Abreviaturas......................................................................................................... XII 1 Introdução.................................................................................................................................1 1.1 Enquadramento..............................................................................................................1 1.1.1 O Nascimento do Automóvel ...........................................................................1 1.1.2 Formação de Poluentes ...................................................................................4 1.1.2.1 Emissão de Hidrocarbonetos...........................................................6 1.1.2.2 Emissão de Óxidos de Azoto...........................................................6 1.1.2.3 Emissão de Partículas .....................................................................7 1.1.2.4 Emissão de Monóxido de Carbono..................................................8 1.1.3 O Automóvel e a Poluição Atmosférica ...........................................................8 1.1.4 Evolução do Parque Circulante de Viaturas Diesel .......................................16 1.2 Objectivos ....................................................................................................................17 1.3 Organização da Dissertação........................................................................................18 2 Metodologia ............................................................................................................................19 3 Simuladores............................................................................................................................21
3.1 EcoGest .......................................................................................................................21 3.1.1 DEMB – Diesel Engine Map Builder ..............................................................21
3.1.1.1 Modelação do Consumo de Combustível ......................................22
3.1.1.2 Simulação da Curva de Potência Máxima.....................................23
3.1.1.3 Simulação das Emissões...............................................................24 3.1.2 Simulação da Dinâmica da Viatura................................................................26 3.2 ADVISOR .....................................................................................................................29
V
4 Laboratório Experimental........................................................................................................31 4.1 Caudalímetro................................................................................................................31 4.2 Unidade GPS ...............................................................................................................35 4.3 OBD .............................................................................................................................36 4.4 Computador Portátil .....................................................................................................36 4.4.1 Aplicação GPS ...............................................................................................37 4.4.2 Aplicação Caudalímetro .................................................................................38 4.4.3 Aplicação OBD...............................................................................................38 4.4.4 Aplicação Analisador de Gases de Escape...................................................39 4.5 Alimentação .................................................................................................................40 5 Caso de Estudo ......................................................................................................................41 5.1 Veículo de Ensaio ........................................................................................................41 5.2 Os Percursos de Teste ................................................................................................45 5.2.1 Viagem 1: Lisboa - Cascais ...........................................................................45 5.2.2 Viagem 2: Cascais - Lisboa ...........................................................................48 5.3 Adaptação e Aplicação do Simulador ..........................................................................51 5.3.1 Adaptação do EcoGest ..................................................................................51 5.3.2 Aplicação do EcoGest....................................................................................52 5.3.2.1 DEMB.............................................................................................52
5.3.2.2 Simulação do NEDC ......................................................................57 5.3.2.3 Simulação da Viagem 1: Lisboa - Cascais ....................................63 5.3.2.4 Simulação da Viagem 2: Cascais - Lisboa ....................................65 5.5 Cenários Alternativos...................................................................................................67 5.5.1 Relações de Transmissão mais “Longas”......................................................68 5.5.2 Variação do Número de Ocupantes...............................................................70 5.5.3 Variação do Peso da Viatura .........................................................................71 5.5.4 Sistema de Arranque Automático Stop&Start................................................73 5.5.5 Hibridização da Viatura ..................................................................................74 6 Conclusões e Indicações para Trabalho Futuro.....................................................................76 7 Referências Bibliográficas ......................................................................................................78
VI
Índice de Figuras
Figura 1-1 - Motorwagen de Benz, o precursor do automóvel moderno...................................... 1 Figura 1-2 - Mercedes-Benz Type 206D, o primeiro automóvel de produção com
motor Diesel.. ....................................................................................................................... 3 Figura 1-3 - Ford Modelo T de 1926, na sua típica cor negra, a única disponível
após a implementação das linhas de montagem móveis em 1913, por permitir um tempo secagem inferior à das restantes cores................................................ 4
Figura 1-4 - Ciclo de velocidade NEDC...................................................................................... 14 Figura 1-5 - Divisão do parque circulante de veículos de passageiros na Europa
por tipo de combustível, em 2005...................................................................................... 16 Figura 1-6 - Percentagem das vendas de automóveis de passageiros Diesel na
UE e EFTA... ...................................................................................................................... 17 Figura 3-1 - Janela de entrada de dados do DEMB.. ................................................................. 26 Figura 3-2 - Selecção das regras de mudança da relação engrenada no EcoGest .................. 27
Figura 3-3 - Gráfico para a determinação do coeficiente de inércia rotacional dos veículos.VH é igual à cilindrada do motor do veículo em causa. m é o peso do veículo e kg/l é a relação peso/cilindrada..................................................................... 27
Figura 3-4 - Exemplo de um ficheiro de saída do EcoGest com os resultados médios simulados.. ............................................................................................................ 28
Figura 3-5 - Vista parcial de um exemplo de um ficheiro de saída do EcoGest
com o detalhe de todos os parâmetros calculados e simulados.. ..................................... 29 Figura 3-6 - Máscara de entrade de dados da viatura do ADVISOR.. ....................................... 30 Figura 3-7 - Visualização de resultados no ADVISOR.. ............................................................. 30 Figura 4-1 - Caudalímetro CORRSYS-DATRON CDS-DFL-1A................................................. 31 Figura 4-2 - Unidade CORRSYS-DATRON CDS-DFL-WT........................................................ 32 Figura 4-3 - Esquema de ligação das unidades CDS-DFL-1A e CDS-DFL-WT.. ...................... 33 Figura 4-4 - Acesso à bomba de combustível do depósito.. ...................................................... 33 Figura 4-5 - Ligações da unidade CDS-DFL-WT à bomba de combustível do
depósito.............................................................................................................................. 34 Figura 4-6 - Instalação do caudalímetro no interior da viatura................................................... 34 Figura 4-7 - Adaptador de ligação da unidade CDS-DFL-WT à linha de retorno
de combustível. .................................................................................................................. 34 Figura 4-8 - Unidade de GPS Garmin GPSmap 76CSx............................................................. 35 Figura 4-9 - Antena GPS exterior.. ............................................................................................. 35
VII
Figura 4-10 - Ligação à porta OBD da viatura............................................................................ 36 Figura 4-11 - Computador portátil instalado no posto do passageiro.. ...................................... 37 Figura 4-12 - Aplicação GPS do FrotLab.. ................................................................................. 37 Figura 4-13 - Aplicação Caudalímetro do FrotLab.. ................................................................... 38 Figura 4-14 - Aplicação OBD do FrotLab.. ................................................................................. 39 Figura 4-15 - Aplicação Analisador de Gases de Escape do Frotlab.. ...................................... 39 Figura 4-16 - Ecrã do FrotLab, com os diversos módulos. ........................................................ 40 Figura 4-17 - Alimentação a partir da bateria da viatura.. .......................................................... 40
Figura 4-18 – Cablagem de alimentação.. ................................................................................. 40 Figura 5-1 - BMW 118d LCI........................................................................................................ 42 Figura 5-2 - Motor BMW N47D2, que equipa a viatura de teste.. .............................................. 43 Figura 5-3 - Viagem 1: Lisboa - Cascais (linha azul) ................................................................. 45 Figura 5-4 - Variação da altitude e declive na Viagem 1: Lisboa - Cascais............................... 46 Figura 5-5 - Ciclo de velocidade instantânea da Viagem 1: Lisboa - Cascais.. ......................... 47 Figura 5-6 - Variação da velocidade de rotação do motor na Viagem 1: Lisboa -
Cascais.. ............................................................................................................................ 47 Figura 5-7 - Variação da carga do motor na Viagem 1: Lisboa - Cascais.. ............................... 47 Figura 5-8 - Consumo instantâneo de combustível na Viagem 1: Lisboa -
Cascais.. ............................................................................................................................ 48 Figura 5-9 - Viagem 2: Cascais - Lisboa (linha azul).. ............................................................... 48 Figura 5-10 - Variação da altitude e declive na Viagem 2: Cascais - Lisboa............................. 49 Figura 5-11 - Ciclo de velocidade instantânea da Viagem 2: Cascais - Lisboa ......................... 50 Figura 5-12 - Variação da velocidade de rotação do motor na Viagem 2: Cascais
- Lisboa .............................................................................................................................. 50 Figura 5-13 - Variação da carga do motor na Viagem 2: Cascais - Lisboa ............................... 50 Figura 5-14 - Consumo instantâneo de combustível na Viagem 2: Cascais -
Lisboa................................................................................................................................. 51 Figura 5-15 - Ecrã de entrada de dados do DEMB, com as carecterísticas do
BMW 118d LCI e do gasóleo ............................................................................................. 53 Figura 5-16 - Curva de potência máxima simulada via DEMB................................................... 53 Figura 5-17 - Relação entre a velocidade de rotação, a carga e o consumo de
combustível do motor, simulada via DEMB ....................................................................... 54 Figura 5-18 - Relação entre a velocidade de rotação, a carga e a emissão de HC
antes dos sistemas de tratamento, simulada via DEMB ................................................... 54
VIII
Figura 5-19 - Relação entre a velocidade de rotação, a carga e a emissão de CO
antes dos sistemas de tratamento, simulada via DEMB ................................................... 55 Figura 5-20 - Relação entre a velocidade de rotação, a carga e a emissão de
NOX antes dos sistemas de tratamento, simulada via DEMB ........................................... 55 Figura 5-21 - Relação entre a velocidade de rotação, a carga e a emissão de PM
antes dos sistemas de tratamento, simulada via DEMB ................................................... 56 Figura 5-22 - Relação entre a velocidade de rotação, a carga e a temperatura
dos gases de escape, simulada via DEMB ....................................................................... 56 Figura 5-23 - Ecrã de introdução das opções de cálculo do EcoGest ....................................... 57 Figura 5-24 - Escolha do NEDC como ciclo de velocidade no EcoGest.................................... 57 Figura 5-25 - Escolha da velocidade à qual é engrenada a relação de caixa
seguinte.............................................................................................................................. 58 Figura 5-26 - Introdução dos dados do veículo e da sua ocupação .......................................... 58 Figura 5-27 - Consumo instantâneo simulado, para o NEDC, sem correcção para
sistema de arranque automático stop&start ...................................................................... 59 Figura 5-28 - Emissão de HC antes dos sistemas de tratamento, simulada para o
NEDC, sem correcção para sistema de arranque automático stop&start ......................... 59 Figura 5-29 - Emissão de CO antes dos sistemas de tratamento, simulada para o
NEDC, sem correcção para sistema de arranque automático stop&start ......................... 60 Figura 5-30 - Emissão de NOX antes dos sistemas de tratamento, simulada para
o NEDC, sem correcção para sistema de arranque automático stop&start ...................... 60 Figura 5-31 - Emissão de PM antes dos sistemas de tratamento, simulada para o
NEDC, sem correcção para sistema de arranque automático stop&start ......................... 60 Figura 5-32 - Consumo instantâneo de combustível medido experimentalmente e
simulado no percurso Lisboa - Cascais ............................................................................. 63 Figura 5-33 - Emissão de HC à saída do escape, simulada para o percurso
Lisboa - Cascais................................................................................................................. 64 Figura 5-34 - Emissão de CO à saída do escape, simulada para o percurso
Lisboa - Cascais................................................................................................................. 64 Figura 5-35 - Emissão de NOX à saída do escape, simulada para o percurso
Lisboa - Cascais................................................................................................................. 64 Figura 5-36 - Emissão de PM à saída do escape, simulada para o percurso
Lisboa - Cascais................................................................................................................. 65 Figura 5-37 - Consumo instantâneo de combustível medido experimentalmente e
simulado no percurso Cascais - Lisboa............................................................................. 65 Figura 5-38 - Emissão de HC à saída do escape, simulada para o percurso
Cascais - Lisboa................................................................................................................. 66 Figura 5-39 - Emissão de CO à saída do escape, simulada para o percurso
Cascais - Lisboa................................................................................................................. 66
IX
Figura 5-40 - Emissão de NOX à saída do escape, simulada para o percurso
Cascais - Lisboa................................................................................................................. 66 Figura 5-41 – Emissão de PM à saída do escape, simulada para o percurso
Cascais - Lisboa................................................................................................................. 67 Figura 5-42 - Janela de entrada de dados do ADVISOR, com a hibridização do
BMW 118d LCI................................................................................................................... 74 Figura 5-43 - Resultados do ADVISOR para o NEDC, com a hibridização do
BMW 118d LCI................................................................................................................... 75
X
Índice de Tabelas
Tabela 1-1 - Limites admissíveis para emissões de poluentes de veículos ligeiros de passageiros (Categoria M1*) na União Europeia, g/km.. .............................................. 13
Tabela 3-1 – Correlações para emissões de gases de escape ................................................. 24 Tabela 5-1 - Registo de viaturas ligeiras de passageiros na UE e EFTA.. ................................ 41 Tabela 5-2 - Principais características da viatura de teste......................................................... 44 Tabela 5-3 - Resumo dos dados mais relevantes do percurso Lisboa - Cascais ...................... 46 Tabela 5-4 - Resumo dos dados mais relevantes do percurso Cascais - Lisboa ...................... 49 Tabela 5-5 - Valores do consumo e emissão de gases de escape antes dos
sistemas de tratamento, simulados para o NEDC, sem correcção para sistema de arranque automático stop&start ...................................................................... 61
Tabela 5-6 - Valores do consumo e emissão de gases de escape antes dos
sistemas de tratamento, simulados para o NEDC, com correcção para sistema de arranque automático stop&start ...................................................................... 61
Tabela 5-7 - Eficiências de conversão estimadas para HC, CO, NOX e PM e
comparação dos valores à saída de escape, simulados à saída do escape para o NEDC, com os valores homologados..................................................................... 62
Tabela 5-8 - Comparação dos valores medidos e simulados para o percurso
Lisboa - Cascais................................................................................................................. 65 Tabela 5-9 - Comparação dos valores medidos e simulados para o percurso
Cascais - Lisboa. ............................................................................................................... 67 Tabela 5-10 - Comparação das relações de transmissão originais e mais
“longas” .............................................................................................................................. 68 Tabela 5-11 - Resultados da simulação no EcoGest do NEDC variando as
relações de transmissão, valores à saía do escape, com sistema de arranque automático .......................................................................................................... 69
Tabela 5-12 - Resultados da simulação no EcoGest da Viagem 1 (Lisboa -
Cascais) variando as relações de transmissão, valores à saía do escape....................... 69 Tabela 5-13 - Resultados da simulação no EcoGest da Viagem 2 (Cascais -
Lisboa) variando as relações de transmissão, valores à saía do escape ......................... 69 Tabela 5-14 - Resultados da simulação no EcoGest da Viagem 1 (Lisboa -
Cascais) variando a ocupação da viatura, valores à saía do escape.. ............................. 71 Tabela 5-15 - Resultados da simulação no EcoGest da Viagem 2 (Cascais -
Lisboa) variando a ocupação da viatura, valores à saía do escape.................................. 71 Tabela 5-16 - Resultados da simulação no EcoGest na Viagem 1 (Lisboa -
Cascais) variando a tara da viatura, valores à saía do escape.. ....................................... 72 Tabela 5-17 - Resultados da simulação no EcoGest na Viagem 2 (Cascais -
Lisboa) variando a tara da viatura, valores à saía do escape.. ......................................... 72
XI
Tabela 5-18 - Resultados da simulação no EcoGest na Viagem 1 (Lisboa - Cascais) e estimativa do impacto do sistema de arranque automático, valores à saía do escape ................................................................................................... 73
Tabela 5-19 - Resultados da simulação no EcoGest na Viagem 2 (Cascais -
Lisboa) e estimativa do impacto do sistema de arranque automático, valores à saía do escape ................................................................................................... 73
XII
Simbologia e Abreviaturas
ACEA Associação de Construtores Europeus Automóveis
B binário do motor
Bmax; Bbmax binário máximo do motor
BP binário do motor no ponto de potência máxima
ADVISOR ADvanced VehIcle SimulatOR
Cd coeficiente de resistência aerodinâmica
CO monóxido de carbono
CO2 dióxido de carbono
CS concentração de enxofre
DI injecção directa
E85 combustível constituído por uma mistura de gasolina e etanol em 85% do
volume
ECE15 ciclo europeu de condução urbana
EFTA European Free Trade Association
EGR recirculação de gases de escape
ETBE ethyl tertiary butyl ether
EUDC ciclo europeu de condução extra-urbana
GPL gás de petróleo liquefeito
GPS sistema de posicionamento global
HC hidrocarbonetos
i relação final de transmissão
IDI injecção indirecta
JAMA Associação Japonesa de Fabricantes Automóveis
KAMA Associação Coreana de Fabricantes Automóveis
km coeficiente de inércia rotacional
L carga
LHVf calor específico inferior do combustível
mCO caudal mássico de monóxido de carbono
mCO
2
caudal mássico de dioxido de carbono
m f caudal mássico de combustível
mHC caudal mássico de hidrocarbonetos
mH2O caudal mássico de água
mNO
X caudal mássico de óxidos de azoto
mPM caudal mássico de partículas
mSO
2
caudal mássico de dióxido de enxofre
XIII
MTBE methyl tertiary butyl ether
N velocidade de rotação do motor
NB velocidade de rotação do motor a que se atinge o binário máximo
NEDC ciclo europeu de homologação de emissões para viaturas ligeiras
Nidle velocidade de rotação do motor ao ralenti
Nmax velocidade de rotação máxima do motor
NMHC non methane hydrocarbons
NOX óxidos de azoto
NP velocidade de rotação do motor a que se atinge a potência máxima
N0 velocidade de rotação típica do motor
OBD sistema de diagnóstico interno da viatura
P potência
pb pressão média efectiva
pi pressão média efectiva indicada
Pi potência indicada
pf pressão média efectiva por atrito
PM partículas
Pmax potência máxima do motor
PMP particulate measurement programme
r raio dinâmico da roda
RH C
relação de massa entre o hidrogénio e o carbono
RO C
relação de massa entre o oxigénio e o carbono
RX C
relação de massa entre a substância X e o carbono
RPM velocidade de rotação (rotações por minuto)
SCR redução catalítica selectiva
t tempo
UE União Europeia
v velocidade
V, VH cilindrada do motor
ηi eficiência térmica indicada
ρB densidade do biodiesel
ρP densidade do gasóleo
§ indicativo de secção
1
1 Introdução
Neste capítulo pretende-se relatar sucintamente a evolução da tecnologia automóvel e
descrever as principais fontes de poluentes geradas por este meio de transporte, bem como a
evolução da legislação a este respeito. São ainda apresentados os objectivos do estudo e a
organização da dissertação.
1.1 Enquadramento
1.1.1 O Nascimento do Automóvel
A 29 de Janeiro de 1886, Karl Benz recebe a primeira patente referente a um veículo
automóvel equipado com um motor de combustão interna [1]. Apesar de inúmeros cientistas e
inventores terem contribuido anteriormente para o desenvolvimento do conceito de veículo
motorizado (são conhecidos planos teóricos de Leonardo da Vinci e de Isaac Newton para um
veículo desta espécie, cabendo a definição de primeiro automóvel à criação de Nicolas Joseph
Cugnot, em 1769, de um veículo movido por um motor a vapor), e de os contemporâneos de
Benz, Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach, desenvolverem independentemente projectos
paralelos ao de Benz, a viatura por este patenteada é reconhecida como sendo o precursor do
automóvel moderno.
Na verdade, no Motorwagen de Benz estão já presentes várias características normalmente
associadas ao automóvel actual: um motor de combustão interna de gasolina e quatro tempos,
equipado com uma cambota com contrapesos, ignição eléctrica e arrefecimento a água.[2]
Figura 1-1 - Motorwagen de Benz, o precursor do automóvel moderno.[1]
2
A 8 de Março de 1886, Gottlieb Daimler, em conjunto com o seu sócio Wilhelm Maybach,
completa a construção do primeiro automóvel de quatro rodas, onde instalam um motor a
gasolina baseado no ciclo de quatro tempos inventado em 1876 por Nikolaus August Otto,
também denominado por Ciclo de Otto. O motor inicialmente desenvolvido por Otto constitui
outro marco no desenvolvimento do automóvel, estando o seu princípio de funcionamento na
base de uma boa parte dos motores utilizados nos automóveis dos nossos tempos.
Apesar de pioneiros na criação dos primeiros automóveis comercialmente viáveis, Benz,
Daimler e Maybach não se dedicaram de imediato à construção automóvel, focando
inicialmente as suas actividades no desenvolvimento de motores que vendiam a outras
empresas e cujas patentes licenciavam. Assim, os primeiros construtores a colocarem no
mercado automóveis inteiramente construídos por si foram as empresas Panhard & Levassor e
Peugeot, ambas sediadas em França, e fundadas em 1889 e 1891, respectivamente. A
Panhard & Levassor construiu veículos equipados com embraiagem de accionamento por
pedal, transmissão por corrente com caixa de velocidades e radiador frontal, tendo sido o
primeiro construtor a utilizar um motor instalado na parte dianteira da viatura e tracção nas
rodas posteriores. Este sistema ficou conhecido como Sistéme Panhard e rapidamente passou
a ser utilizado por outros fabricantes por permitir um maior equilíbrio do veículo e melhorias
significativas na condução. A Panhard & Levassor é também responsável pela invenção da
transmissão moderna.
Estes fabricantes produziam automóveis únicos, sendo que cada novo automóvel fabricado era
diferente do anterior. O primeiro registo da “standardização” de um modelo aparece em 1894,
com a produção de cento e trinta e quatro Benz Velo idênticos. Apesar do crescente
aparecimento de construtores, o automóvel era ainda um produto restrito e dispendioso,
estando apenas acessível aos verdadeiramente ricos.
Em 1893, é concedida a Rudolph Diesel a patente para um novo tipo de motor. Ao contrário do
modelo desenvolvido por Otto, em que a ignição da mistura ar-combustível no interior da
câmara de combustão é provocada por uma fonte de energia externa, no motor de Diesel o ar
de admissão é comprimido de tal forma que, quando o combustível é injectado na câmara de
combustão, as condições de pressão e temperatura são tais que a combustão se dá sem
recurso a fontes externas de energia. O modelo de Diesel apresentava eficiências
consideravelmente superiores aos motores a vapor utilizados em grande escala na época, o
que levou ao rápido interesse de vários fabricantes, que financiaram o desenvolvimento do
projecto de Diesel.
Os motores Diesel iniciais eram demasiado grandes e pesados para serem usados nos
automóveis de então, principalmente devido ao tamanho da bomba de injecção, sendo
principalmente usados no início do séc. XX em aplicações industriais e em navios. Só nos anos
3
20 do séc. XX, com o advento de uma nova tecnologia para as bombas de injecção que
dispensava o recurso a ar pressurizado (e ao respectivo reservatório de ar), os motores Diesel
se tornaram pequenos e leves o suficiente para serem utilizados em aplicações móveis. Assim,
em 1923-24 surgem os primeiros camiões movidos por motores Diesel e em 1936 surge o
primeiro automóvel com um motor deste tipo – o Mercedes-Benz Type 260D.
Figura 1-2 - Mercedes-Benz Type 206D, o primeiro automóvel de produção com motor Diesel. [1]
No início do séc. XX dão-se início aos primeiros esforços para a produção automóvel em
massa. Em Detroit é fundada por Ransome Eli Olds a Olds Motor Works. Olds inventa o
conceito de linha de montagem e aplica-o à produção automóvel, surgindo assim o primeiro
automóvel produzido em massa nos Estados Unidos, o Curved Dash Oldsmobile, do qual
foram produzidas 425 unidades em 1901. O conceito de linha de montagem seria mais tarde
desenvolvido e optimizado por Henry Ford.
Em 1 de Outubro de 1908, a Ford Motor Company apresenta em Detroit o modelo que iria
definitivamente marcar o início da democratização do automóvel: o Ford Modelo T. Para além
das muitas inovações que apresentava, o Modelo T era vendido por um valor suficientemente
baixo para ser acessível à classe média americana. Com a implementação em 1913 das
inovadores linhas de montagem móveis, Ford assegura um aumento de eficiência e redução de
custos que lhe permitem colocar o seu Modelo T a um preço ainda inferior, tornando-o no maior
sucesso comercial automóvel até então. Em 1918, metade dos automóveis a circular nos EUA
eram Modelos T, tendo sido produzidos até à extinção do modelo em 1927 mais de 15 milhões
de unidades.[3]
4
Figura 1-3 - Ford Modelo T de 1926, na sua típica cor negra, a única disponível após a
implementação das linhas de montagem móveis em 1913, por permitir um tempo secagem inferior
à das restantes cores.[3]
Potenciada pelo desenvolvimento económico dos países industrializados após a 2.ª Guerra
Mundial e pela consolidação de uma classe média com poder de compra, a utilização do
automóvel sofre um acréscimo significativo. O automóvel torna-se no meio de transporte
individual por excelência, estando na origem de uma verdadeira revolução nas sociedades
industrializadas. Uma revolução que, no entanto, não está isenta de malefícios, como
rapidamente se veio a constatar.
1.1.2 Formação de Poluentes
Tipicamente, as emissões de gases para atmosfera resultantes da utilização de veículos com
motores de combustão interna dividem-se em três grupos:
-Emissões de gases de escape: produtos da combustão no motor emitidos pelo sistema de
escape da viatura. Os poluentes presentes em maior quantidade são:
1. Hidrocarbonetos (HC): constituídos por combustível que não sofreu o processo de
combustão, são um dos principais responsáveis pelo “smog”, para além de serem
elementos tóxicos e carcinogénicos;
5
2. Óxidos de Azoto (NOx): estes são produzidos quando o azoto e o oxigénio no ar de
admissão reagem nas condições de alta temperatura e pressão no interior do motor,
contribuindo para o “smog” e para as chuvas ácidas;
3. Monóxido de Carbono (CO): um produto da combustão incompleta, o monóxido de
carbono é um gás tóxico uma vez que reduz a capacidade de transporte de oxigénio
pelo sangue;
4. Dióxido de Cabono (CO2): produto da combustão completa de hidrocarbonetos e
existente em abundância na atmosfera, sendo essencial para a vida vegetal, é no
entanto considerado um poluente na medida em que contribui significativamente para o
“efeito de estufa”;
5. Partículas (PM): resultantes da combustão incompleta e de outras reacções na câmara
de combustão. A emissão de partículas é mais significativa em motores Diesel.
-Emissões evaporativas: estas são provenientes da evaporação do combustível e têm um
grande impacto na saúde humana, visto que estas moléculas mais pesadas têm tendência em
permanecer nos níveis mais baixos da atmosfera. A evaporação de combustível ocorre nas
seguintes circunstâncias:
1. Ventilação do depósito de combustível: o aquecimento da viatura implica a evaporação
de parte do combustível contido no tanque, originando uma pressão no interior deste
superior à atmosférica. Esta diferença de pressão tem que ser eliminada através da
libertação dos vapores de combustível.
2. Perdas no funcionamento: perda de vapores de combustível no funcionamento do
motor;
3. Perdas no abastecimento: o espaço vazio no tanque de combustível é preenchido por
vapores de hidrocarbonetos que, à medida que o tanque é enchido, são libertados para
a atmosfera. Adicione-se ainda as perdas devido à evaporação do combustível e a
derrames na altura do abastecimento.
- Emissões no ciclo de vida: estas não são produzidas directamente pelo automóvel, mas são
resultantes do seu fabrico, manutenção e processos de fim-de-vida, bem como resultantes da
extracção, produção, transporte e acondicionamento do combustível utilizado.
6
1.1.2.1 Emissão de Hidrocarbonetos
A emissão de hidrocarbonetos (ou de compostos orgânicos) deve-se à existência de
combustível que passa pela câmara sem sofrer combustão. A complexidade do processo de
combustão nos motores Diesel, onde a evaporação do combustível, mistura do combustível
com o ar e de gás resultante da combustão com gás não queimado podem ocorrer
simultaneamente, resulta em vários processos que podem resultar na não combustão da
totalidade do combustível injectado. No entanto, existem dois mecanismos principais
responsáveis por este fenómeno: a mistura ar-combustível é demasiado pobre para se dar a
auto-ignição ou para suportar a propagação de uma chama, ou, pelo contrário, a mistura ar-
combustível é localmente demasiado rica, incapacitando também a auto-ignição e a
propagação da chama. Destes dois mecanismos, a mistura demasiado pobre é considerado o
mais importante.[4]
A distribuição do combustível injectado na câmara de combustão resulta na criação de zonas
onde a mistura é demasiado pobre, localizadas essencialmente na parte exterior do jacto de
combustível. O combustível contido nessas zonas não passa tempo suficiente sob as
condições necessárias à sua combustão e é expelido da câmara de combustão por queimar.
Este fenómeno tem especial importância quando o motor funciona a cargas reduzidas.[4]
A existência de zonas onde a mistura é demasiado rica é também responsável pela presença
de hidrocarbonetos nos gases de escape. Uma das origens da criação destas zonas é a
emissão de combustível a baixa velocidade a partir do injector, muitas vezes demasiado tarde
no processo de combustão. A outra é a injecção de demasiado combustível na câmara de
combustão que ocorre em transientes de operação.[4]
Também se verifica que as emissões de hidrocarbonetos em motores Diesel são sensíveis à
temperatura do óleo e do líquido refrigerante, indicando que o fenómeno de “quenching”
(extinção da chama junto às paredes da câmara de combustão, que, estando mais frias,
favorecem a condução de calor o suficiente para que a temperatura aí atingida não permita a
combustão) é também relevante, dependendo a sua magnitude da quantidade de combustível
que atinge as paredes do cilindro durante a injecção.[4]
1.1.2.2 Emissão de Óxidos de Azoto
A formação de NO e NOx resulta da oxidação do azoto atmosférico e do azoto contido no
combustível, em menor proporção.[4]
7
A formação de NO está relacionada com as temperaturas atingidas e a quantidade de oxigénio
disponível, sendo que temperaturas mais altas e concentrações superiores de oxigénio
favorecem a formação deste composto, que ocorre na frente de chama e nos gases pós-
chama. Nos motores Diesel, a formação de NO (e de NO2) cresce com a carga, dado que a
cargas superiores mais combustível é injectado, provocando a formação de mais zonas onde a
relação ar-combustível é mais próxima da estequiométrica, o que gera um aumento da pressão
e temperatura.
Se as condições de equilíbrio químico às temperaturas típicas de uma chama indicam que a
relação NO2 / NOx é bastante reduzida, nos motores Diesel esta relação pode chegar aos
30%.[4] A formação de NO2 pode ter origens a reacções como a seguinte:
NO + H2O -> NO2 + OH
O NO2 pode ser convertido em NO através da reacção
NO2 + O -> NO + O2
a não ser que esta reacção seja “congelada” devido à diminuição da temperatura. É esta a
razão pela qual nos motores Diesel a funcionar a baixa carga, a percentagem de NO2 aumenta,
uma vez que existem mais zonas a temperatura inferior que “congelam” a conversão para
NO.[4]
1.1.2.3 Emissão de Partículas
A formação de partículas tem maioritariamente origem na combustão incompleta do
combustível, devida principalmente à existência de zonas no interior da câmara de combustão
onde a mistura é rica. Se nos motores Otto com injecção indirecta este fenómeno é pouco
relevante, dado o seu princípio de funcionamento se basear na formação de uma mistura
ar/combustível homogénea antes da combustão, nos motores Otto de injecção directa e nos
motores Diesel (de injecção indirecta ou directa), a formação de partículas ocorre a um nível
significativamente superior.
Nos motores Diesel, apesar do funcionamento com uma mistura globalmente pobre, existem
zonas no interior da câmara de combustão onde a mistura é rica, devidas essencialmente à
incapacidade do sistema de injecção em colocar a totalidade do combustível em tempo útil
numa zona onde este possa sofrer uma combustão completa, originando a formação de
compostos carbonáceos que, por sua vez, podem adsorver hidrocarbonetos, libertados
posteriormente para a atmosfera.[4]
8
1.1.2.4 Emissão de Monóxido de Carbono
As emissões de CO são controladas essencialmente pela relação ar-combustível, sendo
tipicamente maiores quanto mais rica for a mistura ar-combustível. Dado que os motores Diesel
operam com mistura ar-combustível pobre, pode considerar-se a emissão de CO como menos
relevante que nos motores a gasolina.[4] No entanto, existem situações em que a reacção de
combustão não se realiza completamente, originando a existência de CO nos gases de escape,
apesar da mistura ser globalmente pobre neste tipo de motor.
1.1.3 O Automóvel e a Poluição Atmosférica
A produção em massa de automóveis a gasolina colocou no mercado um veículo de baixo
preço, de fácil manutenção, rápido, potente, com capacidade para percorrer longas distâncias e
que recorria a uma fonte de energia barata e abundante. Enquanto, em 1900, apenas um
quarto dos 4200 automóveis produzidos nos EUA estavam equipados com um motor de
combustão interna, esta proporção rapidamente se inverteu e na primeira década do séc. XX o
motor de combustão interna impõe-se às restantes alternativas de motorização, tais como as
motorizações a vapor e eléctrica.[5]
Ao longo dos anos, e à medida que o consumidor aumentava as suas exigências, a indústria
automóvel respondia com automóveis maiores, mais pesados e, simultaneamente, mais
potentes. A adição de equipamento suplementar, tal como o ar condicionado, a transmissão
automática e a direcção assistida também contribui para um aumento no consumo de
combustível, tanto devido à energia que é retirada do motor para o seu funcionamento, como
pelo acréscimo de peso. O aumento de peso implica um aumento da energia necessária para
mover o veículo, logo um aumento do consumo de combustível.
O consumo de gasolina passou de menos de 3 milhares de milhões de galões em 1919, para
aproximadamente 15 milhares de milhões em 1929, 46,5 milhares de milhões em 1955 e mais
de 135 milhares de milhões em 2002. Em 1973, mais de metade do consumo de petróleo nos
EUA era feito pelo sector dos transportes, passando para quase 64% em 1990. Hoje em dia, o
automóvel é responsável por quase 90% do total do dispêndio de energia neste sector.[5]
A qualidade do combustível, e não só a sua quantidade, é crucial para o desempenho do
automóvel. A descoberta do tetraetil de chumbo como aditivo inibidor do fenómeno da
detonação (fenómeno de auto-ignição da mistura através do qual é libertada subitamente uma
grande quantidade de energia, resultando em vibração e ruído adicional no motor, e que é
indesejado em motores a gasolina) foi um desenvolvimento crucial, tendo este sido
aperfeiçoado em 1922 por Charles F. Kettering e Thomas H. Midgley. Podiam ser assim
9
produzidos motores com maiores taxas de compressão, cujo retorno económico para a
industria automóvel e petrolífera fizeram esquecer as dúvidas quanto aos malefícios para a
saúde pública da utilização do chumbo no combustível.
Para além do combustível em si utilizado para mover o automóvel, há que ter ainda em conta o
dispêndio energético associado à extracção, refinação e transporte do combustível e o custo
energético e ambiental associado ao fabrico do próprio automóvel.
A produção automóvel em massa significa a utilização de vastas quantidades dos mais
variados recursos como matéria-prima, mão-de-obra e energia, e implica a criação de enormes
quantidades de detritos e elementos poluentes. Alguns peritos estimam que, em 1980, cerca de
2 milhões de pessoas estavam directamente envolvidas no fabrico de automóveis, com 3
milhões adicionais empregadas na produção de componentes.[5] A consolidação do negócio
automóvel nos anos 20, especialmente na sequência da revolução criada por Henry Ford nas
técnicas de produção em massa, contribuiu significativamente para a imensa escala que a
produção automóvel atingiu. Entre 1920 e 1929, a produção automóvel anual mundial subiu de
2,2 milhões para 5,3 milhões de unidades. Nos anos 70, o fabrico do automóvel era a maior
indústria. Estima-se que em 1990, mais de 630 milhões de veículos circulavam por todo o
mundo, dos quais 460 milhões eram viaturas particulares.[5]
O historiador Mark Foster estimou que “um terço do dano ambiental causado pelo automóvel
ocorre antes deste ser vendido e utilizado”, citando um estudo que o fabrico de um automóvel
implica a produção de 29 toneladas de desperdício e 923 milhões de metros cúbicos de ar
poluído.[5]
Apesar de o automóvel ser inicialmente louvado pela sua “limpeza” (de facto, por comparação
à utilização de transportes de tracção animal, cujas toneladas de dejectos se espalhavam
diariamente pelas ruas das cidades, o automóvel constituía uma alternativa aparentemente
muito menos nociva), a sua utilização massiva e as limitações técnicas do motor de combustão
interna estiveram na origem de formas de poluição devastadoras.
Em 1948, uma inversão atmosférica manteve uma densa nuvem de dióxido de enxofre e
partículas junto ao sólo durante seis dias na cidade de Donora, Pensilvânia, EUA, cuja principal
actividade era a produção de aço. Ao quinto dia, 30 de Outubro, morrem dezassete habitantes,
ao que se seguem mais duas mortes no dia seguinte. Quase 43% da população adoeceu, com
mais de 10% (1440) “severamente afectados”. Em 1952, registaram-se em Londres 4000
mortes devido ao “smog assassino” e no ano seguinte, 200 pessoas morrem em Nova Iorque
pelas mesmas razões.[5] Como reacção ao agravamento da poluição atmosférica, o Senado
Norte-Americano cria o National Air Pollution Control Act em 1955, com o objectivo de suportar
10
a pesquisa sobre a poluição atmosférica. Mas a acção sobre as emissões provenientes do
automóvel levaria ainda mais alguns anos a ser iniciada.
Nos anos 50 do séc. XX, iniciaram-se os primeiros estudos acerca do contributo para a
poluição atmosférica das emissões de gases provenientes do automóvel. Estes estudos iniciais
culminaram na descoberta pelo Dr. A. J. Haagen-Smit, no California Institute of Technology,
das reacções químicas sofridas na atmosfera pelos óxidos de azoto e hidrocarbonetos quando
expostos às radiações solares. Estas reacções químicas levam à formação de poluentes
secundários tóxicos que formam o “smog”. Estudos adicionais indicaram que os poluentes
originados pelo automóvel têm quatro fontes principais: escape, ventilação do carter,
carburador e tanque de combustível. Estas investigações foram cruciais para o
desenvolvimento dos primeiros sistemas de controlo das emissões.
Uma das cidades mais afectadas pela poluição atmosférica automóvel na década de 50 foi Los
Angeles, o que levou o estado da Califórnia a tomar as primeiras medidas com sentido à
diminuição desta. Inicialmente, nem a indústria petrolífera nem a indústria automóvel estavam
particularmente interessadas em abordar o problema, o que levaria a um dispêndio
considerável de recursos. Apenas com a introdução de legislação específica se assiste ao
equipamento das viaturas com os primeiros dispositivos de redução de emissões. Estes
primeiros dispositivos tinham como objectivo diminuir as emissões provenientes da ventilação
do cárter, dirigindo os vapores aí originados para a admissão de ar do motor com o objectivo
de que estes sejam submetidos ao processo de combustão. Este tipo de equipamento tornou-
se obrigatório no estado da Califórnia em 1963.
Em 1966, mais um passo foi dado com a obrigatoriedade da inclusão de dispositivos de
tratamento dos gases de escape, responsáveis por 55% da emissão de hidrocarbonetos e da
totalidade da emissão de monóxido de carbono, óxidos de azoto e chumbo nas viaturas.[5]
Apesar destas medidas (e de outras medidas levadas a cabo sobre as emissões industriais)
terem, entre 1965 e 1968 na cidade de Los Angeles resultado num decréscimo de 12% nas
emissões de hidrocabonetos e numa redução das emissões de monóxido de carbono, estas
foram acompanhadas por uma subida de 28% nas emissões de óxidos de azoto, devida ao
aumento do número de automóveis e do consumo de combustível, bem como à inexistência de
tecnologia adequada à eliminação destes poluentes.[5] A solução surge mais tarde, com a
introdução de conversores catalíticos, que se tornou obrigatória na Califórnia em 1975, o que
por sua vez levou à eliminação da adição de chumbo na gasolina, por este aditivo ser
incompatível com o funcionamento deste equipamento.
Os restantes estados americanos tiveram uma reacção mais lenta. Em 1966, o automóvel era
responsável por mais de 60% dos poluentes na atmosfera.[5] Durante os anos 60 do séc. XX,
tornou-se óbvio que o problema da poluição atmosférica não era pontual, registando-se
11
ocorrências por todo o país, o que levou à adopção de legislação federal. Em 1963 o Clean Air
Act inicia o primeiro processo legislativo, criando-se em 1965 o Motor Vehicle Air Pollution Act,
com o objectivo de instituir a nível nacional a legislação já em vigor na Califórnia. Em 1967
surge o primeiro esforço no sentido de controlar as emissões de chumbo com o Air Quality Act
e em 1968 a legislação federal restringe as emissões de hidrocarbonetos.
O aumento na consciência ambiental e a insatisfação com os resultados da legislação em vigor
levam a que, em 1970, uma série de emendas (Clean Air Amendments) sejam criadas. A nova
legislação impunha restrições mais severas, autorizando a Environmental Protection Agency
(EPA) a estabelecer novos limites para a emissão de poluentes provenientes do automóvel. No
entanto, as intenções nem sempre estavam de acordo com as acções. As alterações à
legislação foram dificultadas pela indústria automóvel, relutante em investir o necessário para o
cumprimento das metas propostas, situação que se agravou pela crise enegética do início dos
anos 70, que “abalou” os alicerces da poderosa indústria automóvel americana.
Segundo a nova legislação, a EPA poderia conceder aos fabricantes um prazo adicional de um
ano para o cumprimento das restrições caso estes mostrassem “boa fé” nos esforços levados a
cabo no domínio do controlo das emissões. Este prazo adicional foi sendo concedido até uma
decisão da EPA de que, em 1975, os fabricantes seriam capazes de cumprir os objectivos.
Esta decisão levou a que quatro fabricantes processassem a EPA em 1973, sendo a decisão
dos tribunais a favor dos queixosos. No auge da crise enegética, o cumprimento da legislação
foi de novo adiado, situação agravada por preocupações ao nível da segurança na utilização
dos catalizadores de oxidação. Em 1977, uma suspensão de três anos foi concedida.
Enquanto a imposição de limites nas emissões tinha como objectivo minorar o problema da
poluição atmosférica, simultaneamente era agravado um outro problema. Na verdade, no
período de 1968 a 1974, com o ênfase colocado no controlo das emissões, verificou-se um
aumento no consumo de combustível, aumentando a procura deste. Uma forma de melhorar a
economia de combustível foi a redução de peso. A introdução do catalizador de oxidação em
1975 teve também um contributo decisivo (não só na redução do consumo, mas também das
emissões), ao qual se veio juntar mais tarde a utilização da gestão electrónica do motor.
A crise energética dos anos 70 teve resultados ambíguos ao nível das emissões de poluentes.
A indústria automóvel americana sofreu por não estar preparada para produzir automóveis
económicos, dando início à vaga de importação massiva de viaturas japonesas e europeias.
Como medida de apoio à indústria automóvel, o estado americano adoptou medidas
proteccionistas, entre as quais a adopção de legislação menos restritiva no domínio da
poluição atmosférica. No entanto, a redução dos limites de velocidade e a diminuição do
consumo de combustível levam a uma redução na poluição atmosférica. É nesta altura também
que a utilização do motor Diesel, mais económico, tem um aumento considerável.
12
Durante os anos 80, grandes progressos forma feitos no sentido da diminuição de algumas
formas de poluição atmosférica, nomeadamente as emissões de monóxido de carbono,
hidrocarbonetos e óxidos de azoto. A utilização do chumbo na gasolina decresceu 99% entre
1975 e 1988, nos EUA.[5] Em 1990, um novo conjunto de emendas às leis de 1970 e 1977 foi
debatido e aprovado, sendo prestada especial atenção ao sector dos transportes, com a
introdução de limites de emissões de poluentes mais severos para as viaturas produzidasde
1996 a 2003. Estes limites federais reflectiam os já em vigor no estado da Califórnia
(designados por estratégia Phase I). Desta vez, a indústria automóvel estava já preparada para
a nova legislação, já se fazendo progressos significativos para o atingimento dos limites em
vigor no estado californiano. No entanto, a administração Bush mostrou grande oposição a
estabelecimento federal de limites ainda mais restritivos, no sentido do que em 1996 foi feito na
California (Phase II), propondo a alternativa estratégica da utilização de novos combustíveis e
de viaturas “limpas”. No final, foi aprovada uma solução intermédia, baseada na Phase II, mas
com limites menos severos. Esta nova política estimulou o interesse em tecnologias
alternativas ao típico motor de combustão interna, com o aparecimento de viaturas eléctricas,
com células de energia e híbridas.[5]
A nível europeu, em 1970 é aprovada a Directiva Europeia 70/220/CEE, com o objectivo de
aproximar as legislações dos diversos Estados membros da antiga CEE. Nesta Directiva
impunham-se limitações legais à emissão de monóxido de carbono e de hidrocarbonetos não
queimados, tendo sido mais tarde revista com valores mais reduzidos na Directiva 74/290/CEE.
Em 1977 são introduzidos também limites admissíveis para as emissões de óxidos de azoto
sob a forma da Directiva 77/102/CEE, que é revista nas Directivas 78/665/CEE, 83/351/CEE e
86/76/CEE, com a introdução de valores admissíveis progressivamente mais baixos. Em 1988,
a Directiva 88/436/CEE apresenta pela primeira vez limites para a emissão de partículas
poluentes de motores Diesel e em 1989 surge uma nova revisão sob a forma da Directiva
89/458/CEE, que impõe novos valores admissíveis para viaturas equipadas com motores de
cilindrada inferior a 1400 cm3.[6]
As normas conhecidas por Euro 1, Euro 2, Euro 3, Euro 4 e Euro 5 são também elas revisões
progressivas da Directiva 70/220/CEE, tendo a primeira sido emitida em 1991 sob a forma da
Directiva 91/441/CEE. A Directiva 94/12/CE (Euro 2) foi a primeira a introduzir valores
admissíveis para motores Diesel e a gasolina, aparecendo pela primeira vez um valor
admissível para emissão de partículas em motores a gasolina na norma Euro 4, aplicável a
motores com injecção directa.
A tabela abaixo sumariza os valores impostos pelas várias Directivas, para veículos ligeiros de
passageiros.
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Tabela 1-1 - Limites admissíveis para emissões de poluentes de veículos ligeiros de passageiros
(Categoria M1*) na União Europeia, g/km.[7]
Directiva Data CO HC HC+NOx NOx PM
Diesel
Euro 1† 1992.07 2.72 (3.16) - 0.97 (1.13) - 0.14 (0.18)
Euro 2, IDI 1996.01 1.0 - 0.7 - 0.08
Euro 2, DI 1996.01a 1.0 - 0.9 - 0.10
Euro 3 2000.01 0.64 - 0.56 0.50 0.05
Euro 4 2005.01 0.50 - 0.30 0.25 0.025
Euro 5 2009.09b 0.50 - 0.23 0.18 0.005e
Euro 6 2014.09 0.50 - 0.17 0.08 0.005e
Gasolina
Euro 1† 1992.07 2.72 (3.16) - 0.97 (1.13) - -
Euro 2 1996.01 2.2 - 0.5 - -
Euro 3 2000.01 2.30 0.20 - 0.15 -
Euro 4 2005.01 1.0 0.10 - 0.08 -
Euro 5 2009.09b 1.0 0.10c - 0.06 0.005d,e
Euro 6 2014.09 1.0 0.10c - 0.06 0.005d,e
* Nas directivas Euro 1 a Euro 4, os veículos de passageiros com peso a 2500 kg eram homologados na categoria N1.
† Os valores entre parêntesis são limites COP (Conformity of Production).
a – até 1999.09.30 (depois desta data, os motores DI – injecção directa – têm que cumprir os limites para os motores IDI –
injecção indirecta.
b – 2011.01, para todos os modelos
c – e NMHC = 0,068 g/km
d – aplicável apenas a veículos com motores de injecção directa
e – proposto para ser aletrado para 0,003 g/km utilizando o método de medida PMP.
A Directiva 90/C81/01 introduz o ciclo de velocidade a realizar em dinamómetro, através do
qual são homologadas as viaturas ligeiras na União Europeia no que se refere às emissões de
gases de escape. Este ciclo é constituído por quatro segmentos ECE15 (ciclo de condução
urbana, que visa representar condições típicas de condução em cidade) e um ciclo EUDC
(condução extra-urbana). Inicialmente, o início da realização do ciclo era precedido por um
período de aquecimento da viatura ao ralenti de 40 segundos. A partir de 2000, este período de
aquecimento foi eliminado, o que significa que o ciclo de velocidade e a medição das emissões
são feitos imediatamente após se colocar em funcionamento o motor (a frio). Com esta
alteração, este ciclo de velocidade passou a ser designado por New European Driving Cycle
(NEDC).[7] A figura seguinte resume o NEDC.
14
0
25
50
75
100
125
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
t (s)
v (km/h) ECE
EUDC
Figura 1-4 –Ciclo de velocidade NEDC.[8]
De forma a cumprir as normas de emissão de poluentes cada vez mais restritivas, os
fabricantes automóveis desenvolveram técnicas de tratamento dos gases de escape, para além
da implementação de processos de optimização da combustão (desenho da câmara de
combustão, sistemas mais evoluídos de injecção de combustível, etc.).
Um dos processos mais utilizado é o EGR (Exhaust Gas Recirculation), em que parte dos
gases resultantes da combustão são reintroduzidos no cilindro de forma a se reduzir a
temperatura máxima atingida durante o processo de combustão, o que resulta numa redução
na produção de NOx.[9]
Para reduzir as emissões de CO e HC em motores Diesel, são utilizados catalizadores de
oxidação (duas vias), que promovem a reacção destes compostos com o oxigénio presente nos
gases de escape, resultando CO2 e H2O. Nas viaturas a gasolina, são usados catalizadores de
3 vias, que promovem também a redução do NOx em O2 e N2. No entanto, para esta redução
de verificar, é necessária uma relação ar/combustível estequiométrica ou ligeiramente rica, o
que não se verifica nos motores Diesel, para os quais são utilizados catalisadores SCR
(Selective Catalitic Reduction), que funcionam com a introdução de um redutor gasoso ou
líquido (normalmente amónia ou ureia) no fluxo de gases de escape que, sob a acção do
catalizador, converte o NOx em H2O e N2. Este tipo de catalizador tem à data uma utilização
reduzida nos veículos ligeiros de passageiros.
Para o caso específico das partículas em suspensão nos gases de escape, são utilizados filtros
de partículas no escape, sistemas que presentemente já estão bastante difundidos.
Também ao nível da qualidade dos combustíveis foram introduzidas imposições pela União
Europeia, tendo a norma Euro 3 sido acompanhada de uma regulamentação relativa ao nível
de cetano e de enxofre no gasóleo. A norma Euro 4 foi também acompanhada de uma revisão
15
da anterior legislação relativa aos combustíveis, surgindo uma redução do enxofre no gasóleo
e um limite máximo para a concentração do mesmo componente na gasolina. A legislação
europeia estabelece ainda que deverá estar disponível gasóleo e gasolina “livres de enxofre” a
partir de 2005, sendo estes combustíveis obrigatórios a partir de 2009.[7]
Ainda no âmbito dos combustíveis, a Directiva 2003/30/CE introduz também como objectivo
para 2010 a substituição de 5,75% da totalidade dos combustíveis fósseis por biocombustíveis,
com um objecto intermédio de 2% a 31 de Dezembro de 2005.[7]
Apesar de não existir actualmente legislação europeia impondo o limites de emissão de CO2,
foram estabelecidos em 1998-99 protocolos voluntários entre a Comissão Europeia e a ACEA
(Associação Europeia de Fabricantes Automóveis), JAMA (Associação Japonesa de
Fabricantes Automóveis) e KAMA (Associação Coreana de Fabricantes Automóveis) com vista
a estabelecer uma redução progressiva das emissões de CO2. Estes acordos seguiram a
criação do protocolo de Quioto em Dezembro de 1997, mais tarde ratificado pela União
Europeia em Maio de 2002 e que entrou em vigor em Fevereiro de 2005. O protocolo de Quioto
constitui a primeira tentativa a nível global de redução das emissões de gases produtores do
efeito de estufa, estabelecendo quotas e objectivos para as quantidades destes gases emitidas
pelos estados que ratificam o protocolo. Estes objectivos deverão ser atingidos no período
2008-2012, o que significa uma redução média de 5% em relação aos níveis de emissões de
1990.[10]
O acordo com a ACEA estabelece como objectivo para 2008 a emissão média de 140 g/km
(medidos sob as condições definidas na Directiva 93/116/CEE) para a totalidade das viaturas
novas do segmento M1 (ligeiros de passageiros, conforme descrito na Directiva 70/156/CEE)
postas em comercialização pelos membros da ACEA (actualmente: BMW Group, DAF,
DaimlerChrysler, Fiat Group, Ford, GM, MAN, PSA Peugeot Citroën, Porsche, Renault, Scania,
Volkswagen e Volvo[11]), existindo a possibilidade de se extender o acordo com o objectivo de
se chegar ao 120 g/km em 2012. Os acordos com a JAMA e KAMA são semelhantes, com a
maior diferença a ser que o objectivo de 140 g/km deverá ser atingido em 2009.[7]
Os valores mais recentes de monitorização dos acordos, publicados numa comunicação da
Comissão ao Conselho e ao Parlamento Europeu indicam para 2004 valores médios de 161
g/km, 170 g/km e 168 g/km para os fabricantes da ACEA, JAMA e KAMA, respectivamente.[12]
Face a estes resultados, considerados como insuficientes para o atingimento da meta de 120
g/km em 2012, a Comissão Europeia anunciou no início de 2007 que irá ser proposto um
conjunto de medidas legislativas com o objectivo de garantir o atingimento deste objectivo. [13]
16
1.1.4 Evolução do Parque Circulante de Viaturas Diesel
Devido principalmente ao desenvolvimento tecnológico que as motorizações Diesel têm vindo a
sofrer nos últimos anos, nota-se uma tendência a nível europeu para uma “dieselização” do
parque circulante de viaturas ligeiras de passageiros. De facto, a introdução de tecnologia
como a sobrealimentação, a injecção directa e os sistemas de tratamento de gases de escape,
têm vindo a tornar cada vez mais apetecíveis as versões com motorização Diesel, que agora
aliam o argumento da economia de combustível (o qual é ainda mais relevante devido ao facto
de que, em muitos países, o preço por litro do gasóleo é substancialmente inferior ao da
gasolina) a níveis de desempenho e conforto equiparáveis aos dos mesmos automóveis
equipados com motorizações a gasolina. Os dados da ACEA indicam exactamente essa
tendência, tal como pode ser visto nas Figuras 1-5 e 1-6, relativas respectivamente à divisão do
parque automóvel por tipo de combustível na UE (União Europeia) e EFTA (European Free
Trade Association) em 2005 e às vendas de automóveis ligeiros de passageiros na UE e EFTA
desde 1990 a 2006 (note-se que em 2006 foi atingida pela primeira vez uma taxa superior a
50%). Em 2005, a percentagem de veículos de passageiros Diesel era já de 28,8%.
Figura 1-5 - Divisão do parque circulante de veículos de passageiros na Europa por tipo de
combustível, em 2005.[11]
17
Figura 1-6 - Percentagem das vendas de automóveis de passageiros Diesel na UE e EFTA.[11]
Perante o anteriormente exposto, justifica-se um estudo acerca do impacto do tipo de viatura e
das suas características (peso, relações de transmissão, utilização de sistemas de arranque
automático, etc.) no consumo de combustível e emissão de gases poluentes para viaturas
ligeiras equipadas com motorizações Diesel. Este estudo poderá ser realizado recorrendo a
software específico cujos resultados, no entanto, precisam de ser validados previamente.
1.2 Objectivos
O presente estudo tem como objectivo a utilização do programa de simulação de desempenho
energético e ambiental EcoGest para o caso específico de um veículo automóvel ligeiro com
motorização Diesel e validação dos valores do consumo de combustível simulados por
comparação com a informação da homologação da viatura e com dados recolhidos
experimentalmente. Para além do consumo de combustível, será também abordada a emissão
de gases de escape (HC, CO, NOX, PM, e CO2) , no sentido de obter estimativas das
quantidades emitidas para a atmosfera através da utilização do EcoGest.
Após validação dos resultados da simulação, pretende-se construir cenários virtuais, em que se
alteram características da viatura e do sistema de propulsão, tais como a utilização de relações
18
de transmissão mais “longas”, variação da ocupação da viatura para 5 passageiros, redução do
peso da viatura em 40% (recorrendo, por exemplo, à utilização extensa de materiais
compósitos), hibridização da viatura e utilização do sistema de arranque automático stop&start,
de forma a avaliar e comparar o respectivo desempenho energético e ambiental.
1.3 Organização da Dissertação
A presente dissertação está organizada da forma que se apresenta em seguida.
O Capítulo 2 refere-se à metodologia adoptada para conseguir os objectivos propostos (§ 1.2),
descrevendo os vários passos tomados.
No Capítulo 3 descreve-se o simulador do desempenho energético e ambiental EcoGest[8] (§
3.1), bem como o modelo que lhe está subjacente, e o simulador ADVISOR[14] (§ 3.2).
O Capítulo 4 refere-se à descrição do laboratório experimental utilizado na recolha de valores
do consumo de combustível e caracterização dos percursos de validação adoptados.
O Capítulo 5 detalha o caso de estudo escolhido, iniciando-se com uma descrição do veículo
de ensaio utilizado (§ 5.1), dos percursos de validação adoptados (§ 5.2), passando-se
seguidamente à apresentação dos resultados experimentais recolhidos (§ 5.3) e dos
procedimentos e resultados da aplicação do simulador ao caso de estudo (§ 5.4). Finalmente,
são considerados vários cenários alternativos, como sejam a utilização de materiais mais leves
e a utilização de relações de caixa mais longas, para os quais é utilizado o simulador EcoGest
e, no caso da hibridização da viatura, o simulador ADVISOR (§ 5.5).
No Capítulo 6 são apresentadas as principais conclusões retiradas do trabalho efectuado e
apontadas direcções para o trabalho futuro.
19
2 Metodologia
De forma a ir de encontro ao objectivo proposto de validar os valores de consumo de
combustível de uma viatura ligeira Diesel simulados através do EcoGest[8], foi adoptada a
metodologia que se descreve em seguida.
O primeiro passo consistiu na selecção de uma viatura ligeira equipada com uma motorização
Diesel. A selecção foi baseada nas características técnicas da viatura (deveria ser
representativa da tecnologia actual no campo das motorizações Diesel), disponibilidade de uma
viatura de teste, de dados e técnicos e apoio especializado na instalação do laboratório
experimental.
Depois de seleccionada a viatura, passou-se à escolha dos componentes do laboratório
experimental necessários e à análise da possibilidade de utilização do equipamento existente e
das adaptações necessárias à sua instalação na viatura de teste. Para tal foi necessário o
apoio de técnicos formados pelo fabricante. Reunindo-se as condições necessárias, passou-se
à instalação do laboratório experimental na viatura.
Em seguida, foram seleccionados dois percursos de teste, sob a condição de que os percursos
seleccionados incluíssem tanto quanto possível várias condições de utilização da viatura
(condução citadina, em estrada e auto-estrada). Após a selecção dos percursos, estes foram
percorridos com a viatura de teste equipada com o laboratório experimental, o que permitiu a
recolha de dados topográficos do percurso e da utilização da viatura, bem como um registo do
consumo de combustível instantâneo.
O passo seguinte consistiu na adaptação do EcoGest para ser utilizado com a viatura
seleccionada, que consistiu na introdução dos dados relevantes da viatura na base de dados
incluindo motor, caixa de velocidades, pneus, área frontal e peso. Após a introdução dos dados
da viatura no simulador, seguiu-se a simulação do NEDC (New European Driving Cycle)[7] no
EcoGest para a viatura de teste e comparação com os valores de consumo de combustível
anunciados pela certificação da mesma. Também em relação às emissões de poluentes, foi
feita a mesma simulação, obtendo-se valores de emissões antes dos sistemas de tratamento
de gases de escape, o que, através da comparação com os valores das emissões de poluentes
aquando da homologação, permitiu estimar a eficiência dos sistemas de tratamento de gases
de escape na conversão dos vários poluentes.
Após este passo, foi aplicado o simulador à viatura de teste e às condições de utilização e ao
registo topográfico dos percursos de teste, obtendo-se valores de consumo de combustível
simulados que foram comparados com os valores recolhidos experimentalmente. Da aplicação
20
do simulador resultam também estimativas para as emissões de poluentes nos percursos em
questão.
De forma a comparar o veículo com versões modificadas (diferentes materiais, diferentes
relações de transmissão e diferente sistema de propulsão), foram definidos alguns cenários
alternativos em que se alteram características da viatura e da ocupação da mesma,
comparando-se os resultados obtidos da simulação com estas características aos obtidos
anteriormente.
Finalmente, são retiradas conclusões acerca do trabalho realizado e apontadas possibilidades
para trabalho futuro.
21
3 Simuladores
Neste capítulo pretende-se abordar os simuladores utilizados no presente estudo, ou seja, o
EcoGest e o ADVISOR. Mais informação relativa aos modelos que servem de base a ambos os
simuladores pode ser obtida em [8] e [14].
3.1 EcoGest
O simulador EcoGest é um programa construído numa base Visual Basic que permite calcular
o consumo de combustível e emissões de poluentes (HC, CO, NOx, PM e CO2) de um veículo
equipado com uma motorização de combustão interna quando percorre determinado percurso.
Actualmente, está preparado para fazer simulação de motorizações alimentadas com
combustíveis convencionais (gasolina e gasóleo), mas também combustíveis alternativos, tais
como gás natural, GPL, etanol, metanol, E85, misturas gasolina/MTBE, misturas
gasolina/ETBE, e hidrogénio (H2).[15]
Relativamente a veículos Diesel, o EcoGest é constituído pelo módulo DEMB (Diesel Engine
Map Builder), que permite gerar mapas que relacionam o consumo específico e emissão de
poluentes (HC, CO, NOx e PM) com a carga (relação entre o binário utilizado e o binário
máximo disponível a determinada velocidade de rotação do motor) e velocidade de rotação do
motor, e por rotinas que simulam a dinâmica do veículo no percurso em estudo, estimando a
carga e a velocidade de rotação do motor necessárias a cada instante. A partir destes dados, e
recorrendo aos mapas de consumo de combustível e emissão de poluentes gerados pelo
DEMB ou fornecidos pelos fabricantes de motores, é possível obter uma simulação do
combustível consumido e das quantidades de gases poluentes emitidas durante o percurso.
3.1.1 DEMB – Diesel Engine Map Builder
Dado que o programa EcoGest necessita de uma relação entre a carga e velocidade de
rotação do motor e o respectivo consumo específico, valores de emissão de poluentes,
potência e binário para se poder obter os resultados pretendidos, e visto que estes dados não
estão disponíveis a partir do fabricante da viatura estudada, foi utilizado o módulo DEMB para
simular esta informação.
Em seguida descrevem-se os modelos utilizados para a simulação do mapa de consumo de
combustível, da curva de potência máxima e dos mapas de emissão de gases de escape.
22
3.1.1.1 Modelação do Consumo de Combustível [16]
O consumo de combustível m f é dado por:
m f =pi
ηi
N V
120000LHV f
[g/s] ( 3-1 )
onde:
pi é a pressão média efectiva indicada [kPa]
N é a velocidade de rotação do motor [RPM]
V é a cilindrada do motor [dm3]
ηi é a eficiência térmica indicada
LHVf é o calor específico inferior do combustível [MJ/kg]
A velocidade de rotação típica do motor N0 é:
V
0.31800N0 = [RPM] ( 3-2 )
A pressão média efectiva indicada pi é:
bfi ppp += [kPa] ( 3-3 )
A pressão média efectiva pb é:
V
B4000p maxbb
π= [kPa] ( 3-4 )
onde Bbmax é o binário máximo em N.m. A pressão média efectiva por atrito pf é dada por:
60
NNccp 010f
−+= [kPa] ( 3-5 )
onde c0 = 183, c1 = 2,3, correspondents a valores médios de um VW 1.9Tdi de 1999. N é a
velocidade de rotação do motor [RPM].
23
A eficiência térmica indicada ηi pode ser estimada por:
( )( )( )
−−++=
−bo
b
p
p
2010
i
eK1NNb1b1
η ( 3-6 )
onde b0 = 2,1322, b1 = 8,8 x 10-5, K = 0,1, pb0 = 100 kPa também baseado no VW 1.9Tdi de
1999.
3.1.1.2 Simulação da Curva de Potência Máxima [8] [16]
Não estando disponível a curva de potência máxima, esta é estimada pelo DEMB da forma que
se descreve em seguida. Sabendo a potência máxima e a RPM a que ocorre (NP), e o binário
máximo e a RPM a que ocorre (NB), admite-se que o binário para a rotação de ralenti (Nidle) é
igual a 60% do binário máximo e assume-se um comportamento curvilíneo até ao máximo, e
desde o máximo até ao ponto de potência máxima (NP) onde B = BP = Pmax/(2πNP). A
expressão matemática da curva de binário, B, é:
cbNaNB ++= 2 [N.m] (3-7)
em que,
a =0,6Bmax Bmax
Nidle NB Nidle +Nb 2NB + 1, se N ≤ NB (3-8)
( ) ( ) ( )[ ]12 +−+−
−=
BBPBP
maxP
NNNNN
BBa , se N > NB (3-9)
e, para qualquer N,
( )12 +−= BNab (3-10)
BBmax bNaNBc −−= 2 (3-11)
Uma vez conhecida a curva de binário, a curva de potência obtém-se atendendo à seguinte
relação[1]:
24
NBP π2= [W] (3-12)
em que, P é a potência [W], N é a rotação do motor [RPM] e B é o binário [N.m].
3.1.1.3 Simulação das Emissões [16]
As correlações que servem de base ao modelo utilizado pelo DEMB para o cálculo das
emissões de gases de escape foram obtidas a partir dos dados de um Mercedes-Benz Vaneo
1.7 CDI. Uma vez que o DEMB possibilita o cálculo para o uso de biodiesel ou de misturas de
biodiesel com gasóleo, são adicionados às correlações factores que permitem ter a variação do
combustível em conta. Estas correlações são as seguintes:
Tabela 3-1 – Correlações para emissões de gases de escape.[16]
Gás de
Escape Equações Teóricas do Balanço de Massa
CO2 mCO2=11
3
1
RH C
+RO C
+ 1m f
3
7mCO 0,7mPM
36
43mHC (3-13)
H2O mH2
O =9R
H C
1 +RH C
+RO C
+RX C
m f (3-14)
SO2 mSO2=mf
24358CS
1,7 108+ 1049,8CS
x 1
x 1 ρBρ
P 1 (3-15)
Gás de
Escape Correlações Experimentais
NOX mNOX= 0,02353m f 0,00658 1 +
x
8,84 (3-16)
PM mPM = 0,00186m f 0,00109 0,498 x + 1 (3-17)
25
CO
1: N < 1/3*((Nmax - Nidle) + Nidle)
mCO =P i 0,0318L60,124L
5+ 0,194L
40,1560L
3+ 0,0697L
20,0184L + 0,0029
0,873 x 2 1,673 x L + 1 3 18
2: 1/3*((Nmax - Nidle) + Nidle) < N < 17/20*((Nmax - Nidle) + Nidle)
mCO =P i 0,0157L60,106L
5+ 0,2321L
40,2361L
3+ 0,1251L
2
0,0363L + 0,0058 (3-19)
3: N >17/20*((Nmax - Nidle) + Nidle)
mCO =P i 0,0013L6+ 0,1068L
50,2686L
4+ 0,2184 L
30,0362L
2
0,0279L + 0,0094 (3-20)
HC
1: N < 1/3*((Nmax - Nidle) + Nidle)
mHC =P i 0,0307L60,1028L
5+ 0,135L
40,0884L
3+ 0,0311L
2
0,00632L + 0,00081 (3-21)
2: 1/3*((Nmax - Nidle) + Nidle) < N < 2/3*((Nmax - Nidle) + Nidle)
mHC =P i 0,0480L60,1716L
5+ 0,246L
40,181L
3+ 0,0732L
2
0,01614L + 0,0017 (3-22)
3: N >2/3*((Nmax - Nidle) + Nidle)
mHC =P i 0,0464L6+ 0,1464L
50,1703L
4+ 0,08183L
30,005774L
2
0,00777L + 0,002006 (3-23)
4: Factor de Correcção: ( -0.7 x + 1)
CS concentração de enxofre [ppm] L carga
Nmax / Nidle velocidade de rotação máxima/ao x percentagem em volume de
ralenti biodiesel na mistura
N velocidade de rotação
Pi potência indicada RY/X relação de massa Y/X
26
Figura 3-1 - Janela de entrada de dados do DEMB.
3.1.2 Simulação da Dinâmica da Viatura
De forma a calcular a velocidade de rotação e carga necessárias a cada instante, o EcoGest
necessita de dados relativos ao percurso (declives) e do ciclo de velocidade percorrido pela
viatura, relacionando a velocidade instantânea com o tempo.
A partir da indicação da velocidade instantânea v, e com os dados do raio dinâmico das rodas r
e a relação final de transmissão i, é possível calcular a velocidade de rotação do motor:
(3-24)
A relação de transmissão engrenada a cada momento pode ser calculada pelo EcoGest com
base nos dados de input (velocidade instantânea da viatura e velocidade de rotação do motor)
ou pode ser atribuída uma determinada relação a uma gama de velocidades (por exemplo, a 2ª
velocidade é usada entre os 10 e os 30 km/h). Esta última opção é configurável pelo utilizador.
Para as simulações aqui abordadas, foram usadas ambas as opções, conforme a situação (no
respectivo capítulo será dada indicação da opção utilizada).
N =60 v i
2πr
27
Figura 3-2 - Selecção das regras de mudança da relação engrenada no EcoGest.
Com os dados da aceleração instantânea calculados a partir do ciclo de velocidade, do declive
do percurso e das características da viatura (massa, eficiência da transmissão, coeficiente de
atrito aerodinâmico, área frontal, coeficiente de atrito de rolamento e de inércia rotacional),
obtém-se a potência necessária a cada instante e, uma vez tendo a velocidade de rotação do
motor, a carga a cada instante. É de notar que o coeficiente de inércia rotacional pode ser
estimado pelo EcoGest, visto ser um dado normalmente não disponível junto dos fabricantes. O
coeficiente de inércia rotacional, km, pode ser considerado constante ou variável. Neste caso a
sua lei de variação segue os pontos das curvas da Figura 3-3[9] que estão, conjuntamente com
os pontos da curva extrapolada para 1500 kg/l, introduzidos numa matriz no código do
programa. Para cada par de valores kg/l e i/r é determinado, por interpolação bilinear, o valor
de km. Assim, este coeficiente passa a ser variável ao longo da viagem.[8]
Figura 3-3 - Gráfico para a determinação do coeficiente de inércia rotacional dos veículos.VH é igual à cilindrada do motor do veículo em causa. m é o peso do veículo e kg/l é a relação
peso/cilindrada. [9]
28
A partir da velocidade de rotação do motor e da carga é possível, por interpolação dos dados
dos mapas característicos do motor (quer fornecidos pelo fabricante, quer simulados via
DEMB) obter o consumo de combustível instantâneo e as emissões de gases poluentes à
saída do motor. É também estimada a temperatura dos gases de escape.
O EcoGest possui também um sub-módulo que simula o tratamento dos gases de escape, que
no entanto não foi utilizado no presente estudo, dado estar preparado apenas para o escape de
motores de explosão.
Os resultados do EcoGest são obtidos em ficheiros de texto que apresentam o detalhe dos
valores simulados segundo a segundo e os valores médios.
Figura 3-4 - Exemplo de um ficheiro de saída do EcoGest com os resultados médios simulados.
29
Figura 3-5 - Vista parcial de um exemplo de um ficheiro de saída do EcoGest com o detalhe de
todos os parâmetros calculados e simulados.
O EcoGest foi usado na totalidade do presente estudo, sendo que as únicas excepções estão
presentes no Capítulo 5, em que foi utilizada a aplicação ADVISOR para estimar acelerações
de 0 aos 100 km/h e para simular a hibridização da viatura de teste.
3.2 ADVISOR
Desenvolvido pelo National Renewable Energy Laboratory, o modelo ADVISOR (ADvanced
VehIcle SimulatOR)[14] permite simular várias tecnologias de propulsão automóvel, incluindo a
propulsão híbrida, fornecendo estimativas de consumo de combustível e emissão de gases de
escape.
Este simulador baseia-se na utilização de mapas de consumo de combustível e emissão de
poluentes obtidos em banco de ensaio ou extrapolados a partir do conhecimento dos valores à
carga máxima para o motor a simular e outro motor conhecido. A partir destes dados, e com
uma simulação da dinâmica da viatura em determinado percurso onde é calculada a velocidade
de rotação do motor e binário necessários, são obtidos os valores do consumo de combustível
e emissão de gases de escape instantâneos por interpolação dos mapas da base de dados.
Uma vez que o motor da viatura de teste utilizada não consta da base de dados do ADVISOR,
foi utilizado como base os mapas relativos a uma unidade Volkswagem Turbo Diesel 1,9 l, que
30
são re-escalados de acordo com a potência máxima da motorização que se pretende analizar.
É necessário também introduzir os dados relativos à transmissão, características da carroçaria
e auxiliares e características do catalisador.[8]
Depois de introduzidas as características da viatura, deverá escolher-se o ciclo de velocidade a
ensaiar, fornecendo o ADVISOR informação relativa ao consumo médio de combustível e
emissão de gases de escape no ciclo de velocidade escolhido.
Figura 3-6 - Máscara de entrada de dados da viatura do ADVISOR.
Figura 3-7 - Visualização de resultados no ADVISOR.
31
4 Laboratório experimental
Para atingir os objectivos propostos de registar os valores relativos à dinâmica e consumo de
combustível da viatura de teste para o percurso escolhido foi necessária a instalação na viatura
de um conjunto de sistemas de medida e de registo de dados. A instalação deste equipamento
foi feita em diversas fases, sendo que entre elas se foram realizando viagens de teste para
assegurar que o equipamento estava correctamente instalado e a funcionar, permitindo a
correcta recolha dos dados pretendidos. O presente capítulo descreve cada um destes
elementos do laboratório experimental.
4.1 Caudalímetro
Com o objectivo de registar o consumo de combustível da viatura durante o percurso de teste,
foi utilizado um caudalímetro CORRSYS-DATRON CDS-DFL-1A/CDS-DFL-WT[17]. A unidade
CDS-DFL-1A, que constitui o caudalímetro propriamente dito, utiliza um sistema de medição de
alta precisão, constituído por quatro pistões, emitindo 1500 impulsos eléctricos por cada
centímetro cúbico de combustível que passa através deste. Estes impulsos eléctricos são
recolhidos para um computador através de uma placa de aquisição de dados e interpretados
por software específico.
Figura 4-1 - Caudalímetro CORRSYS-DATRON CDS-DFL-1A.[17]
O circuito de alimentação de combustível da viatura de teste (e que funciona com um princípio
semelhante na generalidade dos automóveis ligeiros Diesel actuais) é constituído por um
tanque de combustível (onde o combustível é armazenado), munido de uma bomba de
combustível cujo objectivo é bombear o combustível do tanque até à bomba injectora. A bomba
injectora pressuriza o combustível até à pressão de injecção, mas nem todo o combustível
32
bombeado do tanque é injectado nas câmaras de combustão, o que origina um fluxo de retorno
de combustível que é reencaminhado para o tanque. Normalmente, o fluxo de retorno tem uma
temperatura superior ao do combustível no tanque, visto ser utilizado para o arrefecimento da
bomba injectora.
O sistema utilizado realiza a medição do combustível consumido através da divisão do circuito
de combustível da viatura em dois circuitos separados: circuito da bomba injectora e circuito do
tanque de combustível. Esta divisão é feita pela unidade CDS-DFL-WT.
Figura 4-2 - Unidade CORRSYS-DATRON CDS-DFL-WT.[17]
O combustível que é bombeado pela bomba de combustível no tanque passa através da
unidade CDS-DFL-WT e é direccionado de novo para o tanque. O circuito da bomba injectora é
percorrido por combustível impulsionado por uma bomba eléctrica na unidade CDS-DFL-WT,
ligando-se o retorno da bomba injectora à sua entrada.
Entre os dois circuitos está localizada a unidade CDS-DFL-1A, que permite a passagem do
combustível necessário à manutenção do volume em circulação no circuito da bomba injectora,
combustível esse proveniente do circuito do tanque. Assim, a unidade CDS-DFL-1A mede o
combustível transferido entre os dois circuitos e que corresponde ao combustível injectado nas
câmaras de combustão. Para além da função de divisão entre os circuitos, a unidade CDS-
DFL-WT possui ainda um permutador de calor cujo objectivo é arrefecer o combustível que
retorna da bomba injectora para a temperatura do combustível que está no tanque, evitando-se
33
assim erros de medição devidos à variação de volume do combustível com a temperatura e a
formação de bolhas gasosas no circuito da bomba injectora.
Figura 4-3 - Esquema de ligação das unidades CDS-DFL-1A e CDS-DFL-WT.[18]
Na viatura de teste, o caudalímetro foi instalado na zona do banco traseiro, onde se encontra o
acesso à bomba de combustível do depósito. Nas Figuras 4-4, 4-5 e 4-6 podem visualizar-se
as ligações feitas nas tubagens de abastecimento de combustível (azul – linha de combustível
do depósito para a bomba de alta pressão / castanho – linha de retorno do combustível da
bomba de alta pressão para o depósito).
Figura 4-4 - Acesso à bomba de combustível do depósito.
34
Figura 4-5 - Ligações da unidade CDS-DFL-WT à bomba de combustível do depósito.
Figura 4-6 - Instalação do caudalímetro no interior da viatura.
Para ser possível a ligação das tubagens da unidade CDS-DFL-WT à linha de combustível de
retorno, foi necessário fabricar um adapatador específico (Figura 4-7).
35
Figura 4-7 – Adaptador de ligação da unidade CDS-DFL-WT à linha de retorno de combustível.
4.2 Unidade GPS
A unidade GPS (Global Positioning System) utilizada foi uma Garmin GPSmap 76CSx, munida
de uma antena GPS exterior. Este equipamento permite o registo da latitude, longitude, altitude
e velocidade da viatura em dado intante através duma ligação USB ao computador.
Figura 4-8 - Unidade de GPS Garmin
GPSmap 76CSx.
Figura 4-9 - Antena GPS exterior.
36
4.3 OBD
A ficha OBD (On-Board Diagnosis) permite recolher da viatura variados dados relativos ao
funcionamento da mesma, tais como a velocidade de rotação do motor e a respectiva carga
(percentagem do binário máximo utilizada), temperatura e pressão do ar de admissão,
velocidade da viatura, etc. Para efeitos de recolha dos dados relevantes, faz parte do
laboratório experimental um cabo de ligação da OBD ao computador.
Figura 4-10 - Ligação à porta OBD da viatura.
4.4 Computador portátil
O computador portátil serve como base de recolha, sincronização e armazenamento dos
dados. Ao computador portátil estão ligados os seguintes equipamentos:
-Caudalímetro
-Unidade GPS
-Cabo OBD (ligado à unidade OBD da viatura)
37
Figura 4-11 - Computador portátil instalado no posto do passageiro.
Para a recolha dos dados durante o ensaio experimental, corre no computador a aplicação
FrotLab[19], que reune e sincroniza os diversos programas de recolha de dados do laboratório
experimental descritos em seguida, onde são também apresentadas figuras representativas
dos diversos módulos constituintes do FrotLab.
4.4.1 Aplicação GPS
Esta aplicação processa os dados recolhidos da unidade GPS, armazenando os dados
relativos à latitude, longitude, altitude e velocidade, numa base temporal de segundo a
segundo.
Figura 4-12 - Aplicação GPS do FrotLab.
38
4.4.2 Aplicação Caudalímetro
Este software permite a interpretação e armazenamento dos dados recolhidos da placa de
aquisição ligada ao caudalímetro. Assim, são medidos os impulsos emitidos pelo caudalímetro
(1500 impulsos por cada centímetro cúbico de combustível), que são interpretados pelo
software, resultando no armazenamento dos dados relativos ao consumo instantâneo numa
base temporal de segundo a segundo.
Figura 4-13 - Aplicação Caudalímetro do FrotLab.
4.4.3 Aplicação OBD
A leitura dos dados provenientes da porta OBD da viatura é feita também no computador, que
armazena numa base temporal de segundo a segundo os dados disponíveis na porta OBD,
que podem ser relativos à velocidade de rotação do motor, pressão de admissão, carga do
motor, velocidade da viatura, temperatura do ar admitido, etc.
39
Figura 4-14 - Aplicação OBD do FrotLab.
4.4.4 Aplicação Analisador de Gases de Escape
O FrotLab inclui ainda um módulo que permite o registo de dados de uma analisador de gases
de escape. Esta função não foi utilizada no decorrer dos testes realizados.
Figura 4-15 - Aplicação Analisador de Gases de Escape do Frotlab.
40
Figura 4-16 - Ecrã do FrotLab, com os diversos módulos.
4.5 Alimentação
Todos os equipamentos mencionados são alimentados a partir da bateria da viatura, através de
uma cablagem especifica.
Figura 4-17 - Alimentação a partir da bateria
da viatura.
Figura 4-18 - Cablagem de alimentação.
41
5 Caso de Estudo
No presente capítulo pretende-se descrever os elementos do caso de estudo adoptado, ou
seja, a viatura de teste, os percursos de validação seleccionados e os resultados experimentais
resultantes da aplicação do laboratório experimental anteriormente descrito à viatura nos
percursos escolhidos. Posteriormente, será descrita a aplicação do EcoGest à viatura de teste
e aos dados recolhidos nos percursos de validação e ao NEDC e apresentados os respectivos
resultados. Finalmente, serão consideradas algumas situações hipotéticas para diferentes
configurações da viatura e da sua ocupação e simulado o correspondente desempenho
energético e ambiental.
5.1 Veículo de Ensaio
Para a escolha do veículo de ensaio, levou-se em conta que deveria ser uma viatura com uma
motorização Diesel que incluísse a tecnologia mais recente disponível no mercado em termos
deste tipo de motorização. Também se tomou em consideração que seria interessante a
análise de uma viatura que fosse representativa do parque circulante automóvel Diesel, o que,
baseado nos dados da matriculação de viaturas na Europa Ocidental (Tabela 5-1), levou a que
a viatura escolhida fosse do segmento médio-inferior (apesar de em determinados anos se
terem vendido no total mais viaturas do segmento inferior, este segmento não tem uma
percentagem de viaturas Diesel tão elevada quanto o segmento médio-inferior).
Tabela 5-1 - Registo de viaturas ligeiras de passageiros na UE e EFTA.[11]
42
Todos estes factores, aliados à disponibilidade de dados técnicos e apoio do importador da
marca em Portugal, levou a que a viatura seleccionada fosse o BMW 118d LCI (produção de
Março de 2007).
Figura 5-1 - BMW 118d LCI.[20]
Fazendo parte da gama de modelos da segunda geração da Série 1 da BMW, inicialmente
lançada em 2003 e que sofreu algumas alterações no início de 2007, esta viatura é movida por
uma motorização Diesel de 4 cilindros e 1995 cm3 (motor tipo N47D2), sobrealimentada por um
turbocompressor de geometria variável, com injecção directa de combustível common rail de
terceira geração, catalizador de oxidação e filtro de partículas no sistema de escape. A viatura
de teste estava ainda equipada com uma caixa de 6 velocidades. Todas estas características
são comuns no segmento em que a viatura de teste se insere, mas existem algumas
particularidades no campo da economia de combustível que tornam esta viatura num caso de
estudo interessante. Assim, o BMW 118d LCI está equipado com uma série de medidas para
melhorar o desempenho energético da viatura, inserindo-se numa estratégia de
desenvolvimento de produto denominada pela BMW como EfficientDynamics, que espelha a
tendência geral da indústria automóvel actual de diminuição do consumo de combustível e,
consequentemente, de emissão de gases causadores do efeito de estufa, sem prejuízo do
desempenho dinâmico.
43
Figura 5-2 - Motor BMW N47D2, que equipa a viatura de teste. (fonte: BMW AG)
O BMW 118d LCI está equipado com direcção com assistência eléctrica (que, por oposição à
tradicional assistência hidráulica, não recolhe directamente energia da cambota do motor),
bomba de água eléctrica desligável (que permite um maior controlo sobre a sua actuação,
permitindo períodos de arranque a frio mais curtos), alhetas na grelha do radiador activas (que
abrem e fecham consoante as necessidades de refrigeração do motor, melhorando o
desempenho aerodinâmico e reduzindo o período de aquecimento do motor), sistema de
carregamento da bateria selectivo (a bateria é carregada preferencialmente em situações de
desaceleração e travagem, o que significa que o alternador tem uma carga inferior durante os
períodos em que o motor está em carga, o que também contribui para uma redução do
consumo de combustível) e sistema de arranque automático stop&start (que desliga
automaticamente o motor sempre que a viatura se imobiliza, voltando a ligá-lo quando se
pretende arrancar de novo – este sistema não foi utilizado nos testes efectuados).
Segue um resumo das principais características da viatura de teste.
44
Tabela 5-2 - Principais características da viatura de teste (fonte: BMW AG – excepto indicações em
nota de rodapé).
Motor:
Cilindrada [cm3] 1995
Potência Máxima [kW / RPM] 105 / 4000 Binário Máximo [N.m / RPM] 300 / 2000 Nº Cilindros 4 Razão de Compressão 16 Carroçaria: Tara versão ensaiada1 [kg] 1426,2 Peso Bruto [kg] 1830 Área Frontal [m2] 2,09 Coeficiente de Resistência Aerodinâmica Cd 0,30 Jantes e pneus: Jantes 7Jx16 ET:44 Pneus (dimensão) 205/55 R16 91H Pneus (marca e modelo) Bridgestone Turanza ER300 RSC Raio dinâmico [m] 0,316 Coeficiente de Atrito de Rolamento2 0,009 Transmissão: Eficiência da Transmissão3 0,97 Relação 1ª velocidade 4,002 Relação 2ª velocidade 2,108 Relação 3ª velocidade 1,38 Relação 4ª velocidade 1 Relação 5ª velocidade 0,78 Relação 6ª velocidade 0,645 Relação Marcha-atrás 3,187 Relação Final do Diferencial 3,07 Consumo e Emissão de Poluentes Anunciados4: Circuito Urbano [l / 100km] 5,7 Circuito Extra Urbano [l / 100km] 4,1 Consumo Combinado [l / 100km] 4,7 Emissão de CO2 [g / km] 123 Emissão de CO [g / km] 0,385 Emissão de HC + NOX [g / km] 0,220 Emissão de NOX [g / km] 0,181 Emissão de Partículas Não Disponível Norma Europeia Euro IV
1 Inclui peso dos opcionais: jantes e pneus, ar condicionado automático, rádio e sistema mãos-livres. 2 Estimado dos valores apresentados em [21]. 3 Estimado dos valores típicos apresentados em [9]. 4 Dados de homologação da viatura, disponíveis em [22].
45
5.2 Os Percursos de Teste
De forma a recolher dados para posteriormente serem comparados com os simulados no
EcoGest, foi seleccionado um percurso no qual foi utilizada a viatura de teste equipada com o
laboratório experimental descrito anteriormente (§ 4). O percurso seleccionado deveria
abranger a grande maioria das situações de condução que ocorrem no dia-a-dia, pelo que se
optou por escolher um percurso que inclui condução citadina, condução em auto-estrada e em
estrada secundária, com uma grande variedade de declives. De forma a facilitar o
processamento dos dados, o percurso foi dividido em duas viagens, em que cada uma delas
teve um condutor diferente. O presente capítulo ilustra os percursos seleccionados,
apresentando os dados recolhidos através do laboratório experimental.
5.2.1 Viagem 1: Lisboa - Cascais
A primeira secção do percurso tem início nas instalações do Instituto Superior Técnico, na Av.
Rovisco Pais, Lisboa, terminando em Cascais. O percurso seguido pode ser visualizado na
Figura 5-3.
Figura 5-3 - Viagem 1: Lisboa - Cascais (linha azul).
46
Segue um resumo dos dados recolhidos durante a Viagem 1:
Tabela 5-3 - Resumo dos dados mais relevantes do percurso Lisboa - Cascais.
Distância percorrida 33,38 km Tempo 3009 s (50 min 9 s) Total de combustível consumido 1742 g / 2,03 l Consumo médio 52,20 g/km / 6,07 l/100km Declive máximo 13% Declive mínimo -12% Velocidade média 40 km/h Velocidade máxima atingida 122 km/h Distância percorida em circuito citadino aprox. 8,0 km (24% do percurso) Distância percorrida em auto-estrada aprox. 10,7 km (32% do percurso) Distância percorrida em estrada secundária aprox. 14,7 km (44% do percurso) Tempo dispendido a 0 <= RPM <= 1500 1623 s (53,9 % do tempo) Tempo dispendido a 1501 <= RPM <= 3000 1321 s (43,9% do tempo) Tempo dispendido a 3001 <= RPM 65 s (2,2 % do tempo) Tempo dispendido a 0 <= Carga <= 25% 907 s (30,1 % do tempo) Tempo dispendido a 26% <= Carga <= 50% 1020 s (33,9% do tempo) Tempo dispendido a 51% <= Carga <= 75% 546 s (18,1 % do tempo) Tempo dispendido a 76% <= Carga <= 100% 537 s (17,8% do tempo) % do tempo total dispendido ao ralenti 16,6%
A Figura 5-4 ilustra os declives presentes no percurso Lisboa - Cascais, calculados a partir dos
dados da altitude medidos através do sistema GPS.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000 30000 32000 34000
Distância [m]
Altitude [m
]
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
Declive Altitude
Declive
Figura 5-4 - Variação da altitude e declive na Viagem 1: Lisboa - Cascais.
Da OBD da viatura, foram recolhidos os dados relativos à velocidade instantânea, velocidade
de rotação do motor e da carga ao longo do tempo que levou a percorrer o percurso, conforme
ilustrado nas Figuras 5-5, 5-6 e 5-7 respectivamente.
47
0
20
40
60
80
100
120
140
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Tempo [s]
Velocidad
e Instan
tânea [km
/h]
Figura 5-5 - Ciclo de velocidade instantânea da Viagem 1: Lisboa - Cascais.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Tempo [s]
Velocidad
e de Rotação [RPM]
Figura 5-6 - Variação da velocidade de rotação do motor na Viagem 1: Lisboa - Cascais.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Tempo [s]
Carga
Figura 5-7 - Variação da carga do motor na Viagem 1: Lisboa - Cascais.
Finalmente, os dados recolhidos do caudalímetro permitem obter o consumo instantâneo de
combustível ao longo do tempo que leva a percorrer o percurso. Estes dados são apresentados
na Figura 5-8.
48
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Tempo [s]
Consu
mo de Combustível [g/s]
Figura 5-8 - Consumo instantâneo de combustível na Viagem 1: Lisboa - Cascais.
5.2.2 Viagem 2: Cascais - Lisboa
Para o retorno a Lisboa, optou-se por seguir o percurso inverso do adoptado na Viagem 1, com
uma pequena diferença no circuito no interior da cidade de Lisboa, tal como se pode ver na
Figura 5-9.
Figura 5-9 - Viagem 2: Cascais - Lisboa (linha azul).
49
O resumo dos dados mais relevantes do percurso da Viagem 2 é:
Tabela 5-4 - Resumo dos dados mais relevantes do percurso Cascais - Lisboa.
Distância percorrida 28,44 km Tempo 2414 s (40 min 14 s) Total de combustível consumido 1445 g / 1,68 l Consumo médio 50,80 g/km / 5,92 l/100km Declive máximo 12% Declive mínimo -18% Velocidade média 42 km/h Velocidade máxima atingida 128 km/h Distância percorida em circuito citadino aprox. 5,2 km (18% do percurso) Distância percorrida em auto-estrada aprox. 8,3 km (29% do percurso) Distância percorrida em estrada secundária aprox. 15,0 km (53% do percurso) Tempo dispendido a 0 <= RPM <= 1500 1625 s (67,3 % do tempo) Tempo dispendido a 1501 <= RPM <= 3000 776 s (32,1% do tempo) Tempo dispendido a 3001 <= RPM 13 s (0,5 % do tempo) Tempo dispendido a 0 <= Carga <= 25% 968 s (40,1 % do tempo) Tempo dispendido a 26% <= Carga <= 50% 537 s (22,2% do tempo) Tempo dispendido a 51% <= Carga <= 75% 372 s (15,4 % do tempo) Tempo dispendido a 76% <= Carga <= 100% 537 s (22,2% do tempo) % do tempo total dispendido ao ralenti 13,7%
A Figura 5-10 ilustra os declives presentes no percurso Cascais - Lisboa.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000 30000
Distância [m]
Altitude (m
)
-20%
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
Declive Altitude
Declive
Figura 5-10 - Variação da altitude e declive na Viagem 2: Cascais - Lisboa.
Nas figuras seguintes, podem ver-se os dados relativos ao ciclo de velocidade, velocidade de
rotação do motor, carga e consumo instantâneo para a Viagem 2.
50
0
20
40
60
80
100
120
140
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Tempo [s]
Velocidad
e instan
tânea [km
/h]
Figura 5-11 - Ciclo de velocidade instantânea da Viagem 2: Cascais - Lisboa.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Tempo [s]
Velocidad
e de Rotação [RPM]
Figura 5-12 - Variação da velocidade de rotação do motor na Viagem 2: Cascais - Lisboa.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Tempo [s]
Carga
Figura 5-13 - Variação da carga do motor na Viagem 2: Cascais - Lisboa.
51
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Tempo [s]
Consu
mo de Combustível [g/s]
Figura 5-14 - Consumo instantâneo de combustível na Viagem 2: Cascais - Lisboa.
5.3 Adaptação e Aplicação do Simulador
O presente sub-capítulo descreve as alterações introduzidas no simulador EcoGest de forma a
se poder utilizá-lo para obter resultados para a viatura de teste. Posteriormente, descrever-se-á
o processo de validação dos resultados obtidos com a aplicação do EcoGest por comparação
com os valores de consumo de combustível homologados para a viatura de teste
(homologação através do New European Driving Cycle - NEDC). São também utilizados os
valores de emissões de gases de escape homologados para afinação dos valores de emissões
de gases de escape obtidos através da aplicação do EcoGest ao NEDC, obtendo-se assim
uma estimativa das eficiências de conversão dos sistemas de tratamento de gases de escape
da viatura. Posteriormente, serão apresentados os valores do consumo de combustível obtidos
da aplicação do EcoGest aos percursos descritos no anteriormente (§ 5.2), que serão
comparados aos obtidos experimentalmente. Serão também apresentados os dados da
simulação das emissões de poluentes para estes percursos.
5.3.1 Adaptação do EcoGest
Antes de poder utilizar o EcoGest para a simulação do consumo de combustível e emissão de
gases de escape, foi necessário adaptá-lo à viatura utilizada no caso de estudo, bem como
introduzir os dados da viatura na base de dados do EcoGest.
Para aplicar o EcoGest à viatura de teste, foi necessária a introdução da opção da simulação
de uma caixa de seis velocidades, dado que a viatura de teste estava assim equipada. Além
desta alteração, foi necessário introduzir na base de dados do EcoGest as seguintes
características da viatura de teste (§ 5.1):
52
-Tara da viatura;
-Cilindrada do motor;
-Potência máxima e velocidade de rotação do motor a que é atingida;
-Binário máximo e velocidade de rotação do motor a que é atingido;
-Características dos pneumáticos que equipam a viatura (dimensões e coeficiente de atrito de
rolamento);
-Área frontal e coeficiente de atrito aerodinâmico da viatura de teste;
-Relações de transmissão.
5.3.2. Aplicação do EcoGest
5.3.2.1 DEMB
A simulação inicia-se com a obtenção a partir do módulo DEMB (§ 3.1.1) de uma simulação da
relação entre a velocidade de rotação do motor, a carga (percentagem do binário total
disponível a determinada velocidade de rotação do motor que é utilizada) e, respectivamente, o
consumo instantâneo de combustível e a emissão instantânea de gases de escape (HC, CO,
NOX, PM) à saída do motor, antes dos sistemas de tratamento de gases de escape. Obtém-se
também uma simulação da curva de potência máxima do motor.
Para tal, introduz-se no ecrã de introdução de dados do DEMB as características do motor da
viatura (cilindrada, potência máxima e velocidade de rotação a que é atingida, binário máximo e
velocidade de rotação a que é atingido e ano de intodução no mercado da motorização) e do
combustível, seleccionando-se a opção de viatura ligeira “Automobile” (por oposição à opção
“Heavy Duty”, para veículos pesados) e a resolução dos mapas a simular. A Figura 5-15
apresenta o ecrã de introdução de dados, com as características do BMW 118d LCI e do
gasóleo introduzidas.
53
Figura 5-15 - Ecrã de entrada de dados do DEMB, com as carecterísticas do BMW 118d LCI e do
gasóleo.
Conforme descrito anteriormente, da simulação resulta um ficheiro de texto que relaciona a
velocidade de rotação do motor, a carga e, respectivamente, o binário, o consumo instantâneo
de combustível a emissão instantânea de gases de escape (HC, CO, NOX, PM), bem como dos
valores de potência máxima consoante a velocidade de rotação do motor. Abaixo seguem-se
representações gráficas das relações simuladas.
0
20
40
60
80
100
120
700 1100 1500 1900 2300 2700 3100 3500 3900 4300 4700
Velocidade de Rotação do Motor [RPM]
Potência Máx
ima [kW]
Figura 5-16 - Curva de potência máxima simulada via DEMB.
54
700
1300
1900
2500
3100
3700
4300
0% 20% 40% 60%
80%
100%
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Consu
mo de Combustível [g/h]
Vel. Rotação [RPM]
Carga
Figura 5-17 - Relação entre a velocidade de rotação, a carga e o consumo de combustível do
motor, simulada via DEMB.
700
1300
1900
2500
3100
3700
4300
0% 20% 40% 60% 80%
100%
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Emissã
o de HC [g/h]
Vel. Rotação [RPM]
Carga
Figura 5-18 - Relação entre a velocidade de rotação, a carga e a emissão de HC antes dos sistemas
de tratamento, simulada via DEMB.
55
700
1300
1900
2500
3100
3700
4300
0% 20% 40% 60% 80%
100%
0
50
100
150
200
250
300
Emissã
o de CO [g/h]
Vel. Rotação [RPM]
Carga
Figura 5-19 - Relação entre a velocidade de rotação, a carga e a emissão de CO antes dos sistemas
de tratamento, simulada via DEMB.
700
1300
1900
2500
3100
3700
4300
0% 20% 40% 60% 80%
100%
0
100
200
300
400
500
600
Emissã
o de NOx [g/h]
Vel . Rotação [RPM]
Carga
Figura 5-20 - Relação entre a velocidade de rotação, a carga e a emissão de NOX antes dos
sistemas de tratamento, simulada via DEMB.
56
700
1300
1900
2500
3100
3700
4300
0% 20% 40% 60% 80%
100%
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Emissã
o de PM [g/h]
Vel. Rotação [RPM]
Carga
Figura 5-21 - Relação entre a velocidade de rotação, a carga e a emissão de PM antes dos sistemas
de tratamento, simulada via DEMB.
700
1300
1900
2500
3100
3700
4300
0% 20% 40% 60% 80% 100%
0
100
200
300
400
500
600
Tem
peratura G
ases Esc
ape [ºC]
Vel. Rotação [RPM]
Carga
Figura 5-22 - Relação entre a velocidade de rotação, a carga e a temperatura dos gases de escape,
simulada via DEMB.
57
5.3.2.2 Simulação do NEDC
De forma a validar os valores simulados pelo EcoGest para o caso de estudo, foi inicialmente
simulada a realização do New European Driving Cycle. Para tal, introduziu-se o respectivo ciclo
de velocidade (Figura 1-4) no EcoGest.
Figura 5-23 - Ecrã de introdução das opções de cálculo do EcoGest.
Figura 5-24 - Escolha do NEDC como ciclo de velocidade no EcoGest.
58
Após a escolha do ciclo de velocidades, é escolhido o comportamento de mudança de relação
da caixa de velocidades consoante a velocidade da viatura (velocidade a que é engrenada a
mudança seguinte).
Figura 5-25 - Escolha da velocidade à qual é engrenada a relação de caixa seguinte.
Finalmente, introduzem-se os dados do (§ 5.1) e o número de passageiros e peso adicional da
viatura (passageiros e carga). Para o NEDC, foi utilizado um valor de 100 kg.
Figura 5-26 - Introdução dos dados do veículo e da sua ocupação.
59
Após a introdução dos dados necessários, o EcoGest fornece dois ficheiros de texto: um com
os valores médios de consumo e emissão de poluentes, outro com o detalhe segundo a
segundo destes valores. Seguem as representações gráficas dos valores obtidos:
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Tempo [s]
Consu
mo Instan
tâneo
[g/s]
Figura 5-27 - Consumo instantâneo simulado, para o NEDC, sem correcção para sistema de
arranque automático stop&start.
0,00E+00
1,00E-04
2,00E-04
3,00E-04
4,00E-04
5,00E-04
6,00E-04
7,00E-04
8,00E-04
9,00E-04
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Tempo [s]
HC [g/s]
Figura 5-28 - Emissão de HC antes dos sistemas de tratamento, simulada para o NEDC, sem
correcção para sistema de arranque automático stop&start.
60
0,00E+00
1,00E-03
2,00E-03
3,00E-03
4,00E-03
5,00E-03
6,00E-03
7,00E-03
8,00E-03
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Tempo [s]
CO [g/s]
Figura 5-29 - Emissão de CO antes dos sistemas de tratamento, simulada para o NEDC, sem
correcção para sistema de arranque automático stop&start.
0,00E+00
2,00E-03
4,00E-03
6,00E-03
8,00E-03
1,00E-02
1,20E-02
1,40E-02
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Tempo [s]
NOx [g/s]
Figura 5-30 - Emissão de NOX antes dos sistemas de tratamento, simulada para o NEDC, sem
correcção para sistema de arranque automático stop&start.
0,00E+00
1,00E-05
2,00E-05
3,00E-05
4,00E-05
5,00E-05
6,00E-05
7,00E-05
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Tempo [s]
PM [g/s]
Figura 5-31 - Emissão de PM antes dos sistemas de tratamento, simulada para o NEDC, sem
correcção para sistema de arranque automático stop&start.
61
A Tabela 5-5 apresenta os valores médios simulados (em que os valores relativos às emissões
de gases de escape são os obtidos à saída do motor, antes dos sistemas de tratamento):
Tabela 5-5 - Valores do consumo e emissão de gases de escape antes dos sistemas de tratamento,
simulados para o NEDC, sem correcção para sistema de arranque automático stop&start.
Consumo de Combustível [l / 100km] 5,37 Consumo de Combustível [g / km] (percentagem ao ralenti) 46,22 (7,3%) Emissão de HC [g / km] (percentagem ao ralenti) 0,491 (7,1%) Emissão de CO [g / km] (percentagem ao ralenti) 0,692 (6,3%) Emissão de NOX [g / km] (percentagem ao ralenti) 0,564 (6,0%) Emissão de PM [g / km] (percentagem ao ralenti) 0,039 (7,0%) Emissão de CO2 [g / km] (percentagem ao ralenti) 144,73 (7,3%)
No entanto, e uma vez que a viatura em questão está equipada por um sistema de arranque
automático stop&start, que desliga o motor sempre que a viatura se encontra imobilizada, de
forma a obter valores simulados comparáveis com a situação de homologação da viatura, para
obtenção dos quais foi utilizado o sistema de arranque automático, é necessário subtrair aos
valores simulados a componente obtida ao ralenti. Assim, temos:
Tabela 5-6 - Valores do consumo e emissão de gases de escape antes dos sistemas de tratamento,
simulados para o NEDC, com correcção para sistema de arranque automático stop&start.
Simulado Homologado
Simulado vs.
Homologado Consumo de Combustível [l / 100km] 4,98 4,7 5,9%
Emissão de HC + NOX [g / km] 0,982 0,22 346,2%
Emissão de CO [g / km] 0,646 0,385 67,9%
Emissão de NOX [g / km] 0,528 0,181 190,8%
Emissão de PM [g / km] 0,037 - - Emissão de CO2 [g / km] 134 123 9,1%
Desta forma, é possível estimar a eficiência de conversão de HC, CO, NOX e PM nos sistemas
de tratamento incluídos na viatura (catalizador de oxidação e filtro de partículas). Isto é feito
aplicando um factor de conversão aos valores simulados antes dos sistemas de tratamento
(Tabela 5-6) de forma a que estes sejam iguais, após os sistemas de tratamento, aos valores
homologados. Outro aspecto que é necessário ter em atenção é a composição do combustível
e a sua relação com a emissão de CO2. No caso dos valores homologados, tem-se uma
relação de 2,62 kg de CO2 emitidos por cada litro de gasóleo consumido, enquanto que para a
simulação o valor é de 2,69 kg de CO2 emitidos por cada litro de gasóleo consumido. Se se
62
utilizar a mesma relação da homologação, ter-se-á um valor de emissão de CO2 de 130 g/km.
Assim, ficamos com:
Tabela 5-7 - Eficiências de conversão estimadas para HC, CO, NOX e PM e comparação dos valores
à saída de escape, simulados à saída do escape para o NEDC, com os valores homologados.
Simulado (antes dos sistemas de
tratamento)
Homologado Eficiência
de conversão
Simulado (à saída do
escape)
Simulado vs. Homologado
Consumo de Combustível [l / 100km]
4,98 4,7 - 4,98 5,9%
Emissão de HC + NOX [g / km]
0,982 0,22 77,60% 0,22 0,0%
Emissão de CO [g / km] 0,646 0,385 40,39% 0,385 0,0%
Emissão de NOX [g / km] 0,528 0,181 65,73% 0,181 0,0%
Emissão de PM [g / km] 0,037 0,0015 97,27% 0,001 0,0% Emissão de HC [g / km] 0,454 0,0396 91,41% 0,039 0,0% Emissão de CO2 [g / km] 130 123 - 130 5,7%
As eficiências de conversão da Tabela 5-7 serão usadas em todas as simulações de valores de
emissão à saída do escape apresentados a partir daqui. Comparando com valores típicos de
conversão de gases de escape em catalizadores de oxidação, verificamos que o valor de
conversão do HC está dentro da gama de valores esperada (o fabricante de catalizadores
Johnson&Mattey indica uma eficiência de conversão de HC de cerca de 90% para a sua gama
de catalizadores CCRT[23]). Também a eficiência de conversão de NOX está dentro da gama de
valores esperada para uma viatura equipada com recirculação de gases de escape EGR (a
Johnson&Mattey indica uma eficiência de conversão de NOX de cerca de 50% para a sua gama
de catalizadores EGRT[23] equipada com EGR, enquanto que [4] indica uma redução máxima
na ordem dos 80% para um motor Diesel de injecção directa). O valor da eficiência da
conversão de CO estimado está significativamente abaixo do esperado (a Johnson&Mattey
indica uma eficiência de conversão de CO que ronda os 90% na sua gama de produtos), pelo
que este poderá ser um assunto abordado em trabalhos futuros. Uma vez que a homologação
não inclui um valor para a emissão de PM, o valor estimado para a eficiência de conversão terá
pouco significado, mas mais uma vez está perto dos valores típicos (que rondam os 90-
95%).[23]
É de notar que os valores de CO2 apresentados se mantêm iguais aos obtidos à saída do
motor. Na realidade, tal não se verifica devido à oxidação de CO e HC que ocorre no
catalizador, que resulta na criação de uma pequena quantidade de CO2 adicional. Dado que
5 Não existe um valor homologado para a emissão de PM, pelo que se assumiu o valor de 0,001 g/km. 6 Não é explicitamente mencionado o valor de hologação para as emissões de HC, mas o mesmo pode ser obtido dos valores de homologação de HC+ NOX e de NOX, ambos disponíveis.
63
não se pretendem validar os resultados das emissões de gases de escape, esta é uma
limitação que se manterá em todos os valores estimados para as emissões de CO2
apresentados.
5.3.2.3 Simulação da Viagem 1: Lisboa - Cascais
Após a estimativa das eficiências de conversão dos sistemas de tratamento de gases de
escape, segue-se a aplicação do EcoGest aos percursos descritos em § 5.2. Da mesma forma
que anteriormente, foram introduzidos os dados da viatura no EcoGest, com a diferença de
que, para se ser fiel na simulação da utilização da caixa de velocidades, optou-se por ser o
EcoGest a calcular a relação de caixa engrenada a cada momento a partir da relação entre a
velocidade da viatura e a velocidade de rotação do motor. Para além disso, foi utilizado um
valor de 140 kg para o peso dos ocupantes e do equipamento de medida.
Segue-se a representação gráfica dos valores obtidos.
0
1
2
3
4
5
6
7
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Tempo (s)
Consu
mo Instan
tâneo
de
Combustível [g/s]
Experimental
Simulado
Figura 5-32 -Consumo instantâneo de combustível medido experimentalmente e simulado no
percurso Lisboa - Cascais.
Como se pode verificar na Figura 5-32, a evolução do valor de consumo instantâneo de
combustível simulado não segue exactamente os valores medidos, existindo diferenças
consideráveis. É possível verificar nesta figura que o EcoGest não contempla o corte da
injecção de combustível que ocorre na viatura de teste em desaceleração, sempre que o pedal
do acelerador não está a ser pressionado. Nesta situação, o simulador admite que o consumo
de combustível é o da situação de ralenti. No entanto, apesar destas diferenças, os valores
médios do percurso são bastante próximos, conforme será indicado no decorrer do texto.
Em relação à emissão de gases de escape, a simulação resulta nos seguintes valores:
64
0,00E+00
5,00E-04
1,00E-03
1,50E-03
2,00E-03
2,50E-03
3,00E-03
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Tempo (s)
Emissã
o HC [g/s]
Figura 5-33 - Emissão de HC à saída do escape, simulada para o percurso Lisboa - Cascais.
0,00E+00
5,00E-03
1,00E-02
1,50E-02
2,00E-02
2,50E-02
3,00E-02
3,50E-02
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Tempo (s)
Emissã
o CO [g/s]
Figura 5-34 - Emissão de CO à saída do escape, simulada para o percurso Lisboa - Cascais.
0,00E+00
1,00E-02
2,00E-02
3,00E-02
4,00E-02
5,00E-02
6,00E-02
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Tempo (s)
Emissão NOx [g/s]
Figura 5-35 - Emissão de NOX à saída do escape, simulada para o percurso Lisboa - Cascais.
65
0,00E+00
5,00E-05
1,00E-04
1,50E-04
2,00E-04
2,50E-04
3,00E-04
3,50E-04
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000
Tempo (s)
Emissã
o PM [g/s]
Figura 5-36 - Emissão de PM à saída do escape, simulada para o percurso Lisboa - Cascais.
Apresentam-se em seguida os valores médios simulados e a comparação com os valores
médios do consumo de combustível medidos experimentalmente:
Tabela 5-8 - Comparação dos valores medidos e simulados para o percurso Lisboa - Cascais.
Simulado Medido Erro Consumo médo de combustível [l/100km] 5,92 6,07 -2,5% Emissão de HC [g/km] 0,032 - - Emissão de CO [g/km] 0,312 - - Emissão de NOX [g/km] 0,252 - - Emissão de PM [g/km] 0,001 - - Emissão de CO2 [g/km] 160,41 - -
5.3.2.4 Simulação da Viagem 2: Cascais - Lisboa
Da mesma forma que descrito anteriormente, foi feita a simulação no EcoGest relativa ao
percurso Cascais - Lisboa, com os resultados que se seguem:
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Tempo (s)
Consu
mo Instan
tâneo
de
Combustível [g/s]
Experimental
Simulado
Figura 5-37 - Consumo instantâneo de combustível medido experimentalmente e simulado no
percurso Cascais - Lisboa.
66
0,00E+00
5,00E-04
1,00E-03
1,50E-03
2,00E-03
2,50E-03
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Tempo (s)
Emissã
o HC [g/s]
Figura 5-38 - Emissão de HC à saída do escape, simulada para o percurso Cascais - Lisboa.
0,00E+00
2,00E-03
4,00E-03
6,00E-03
8,00E-03
1,00E-02
1,20E-02
1,40E-02
1,60E-02
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Tempo (s)
Emissã
o CO [g/s]
Figura 5-39 - Emissão de CO à saída do escape, simulada para o percurso Cascais - Lisboa.
0,00E+00
5,00E-03
1,00E-02
1,50E-02
2,00E-02
2,50E-02
3,00E-02
3,50E-02
4,00E-02
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Tempo (s)
Emissã
o NOx [g/s]
Figura 5-40 - Emissão de NOX à saída do escape, simulada para o percurso Cascais - Lisboa.
67
0,00E+00
5,00E-05
1,00E-04
1,50E-04
2,00E-04
2,50E-04
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Tempo (s)
Emissã
o PM [g/s]
Figura 5-41 - Emissão de PM à saída do escape, simulada para o percurso Cascais - Lisboa.
Tabela 5-9 - Comparação dos valores medidos e simulados para o percurso Cascais - Lisboa.
Simulado Medido Erro Consumo médo de combustível [l/100km] 5,92 5,92 0,0% Emissão de HC [g/km] 0,022 - - Emissão de CO [g/km] 0,219 - - Emissão de NOX [g/km] 0,263 - - Emissão de PM [g/km] 0,001 - - Emissão de CO2 [g/km] 160,81 - -
Após a aplicação do EcoGest aos percursos efectuados e verificação dos valores simulados,
apresentam-se na próxima secção algumas situações hipotéticas em que se analisam
diferentes configurações da viatura e da sua ocupação.
5.5 Cenários alternativos
De forma a verificar se seria possível melhorar o desempenho energético e ambiental da
viatura de teste, foi utilizado o EcoGest para simular o consumo de combustível e emissão de
gases de escape para as seguintes situações alternativas:
-Relações de transmissão mais “longas”:
-Variação do número de ocupantes;
-Variação do peso da viatura;
-Sistema de arranque automático stop&start.
Foi utilizado o software comercial ADVISOR [14] (§ 3.2) para analisar a situação alternativa:
-Hibridização da viatura.
68
5.5.1 Relações de Transmissão mais “Longas”
É usual no contexto automóvel caracterizar a transmissão como tendo relações “longas” ou
“curtas”. O que se pretende caracterizar é a relação entre a velocidade de rotação do motor e a
velocidade da viatura, sendo que uma transmissão de relações “longas” permite tipicamente
que a viatura mantenha a mesma velocidade a uma velocidade de rotação do motor mais
baixa, por comparação com uma viatura equipada com uma transmissão de relações mais
“curtas”. Devido a esta característica, é usual que uma viatura com relações de transmissão
mais “longas” apresente consumos de combustível inferiores. De forma a confirmar esta
afirmação, foi simulado o desempenho ao nível do consumo de combustível e da emissão de
gases de escape no EcoGest para o NEDC, Percurso 1 e 2, para a viatura de teste equipada
com a transmissão original e com uma transmissão fictícia, tal como é apresentado em
seguida.
Tabela 5-10 - Comparação das relações de transmissão originais e mais “longas”.
Transmissão Original
Transmissão “Longa”
Relação 1ª velocidade 4,002 4,002 Relação 2ª velocidade 2,108 2,058 Relação 3ª velocidade 1,38 1,315 Relação 4ª velocidade 1 0,930 Relação 5ª velocidade 0,78 0,708 Relação 6ª velocidade 0,645 0,572 Relação Marcha-atrás 3,187 3,187 Relação Final do Diferencial 3,07 3,07
As relações da transmissão fictícia foram calculadas com o objectivo de obter uma relação
entre a 1ª e a 6ª velocidade com o valor de 7 (6,20 na caixa de velocidades original), sendo que
as restantes relações foram calculadas de forma a manter a proporcionalidade em relação à
caixa de velocidades original. Poderia ter sido simplesmente alterada a relação final do
diferencial, mas optou-se por não o fazer de forma a manter as características de arranque da
viatura, pelo que se manteve também a relação da 1ª velocidade.
Para o NEDC, os resultados obtidos foram os seguintes:
69
Tabela 5-11 - Resultados da simulação no EcoGest do NEDC variando as relações de transmissão,
valores à saía do escape, com sistema de arranque automático.
Transmissão Original
Transmissão “Longa”
Variação
Consumo de Combustível [g/km] 42,846 42,354 -1,1% Emissão de HC [g/km] 0,039 0,035 -10,3% Emissão de CO [g/km] 0,385 0,335 -13,0% Emissão de NOX [g/km] 0,181 0,177 -2,2% Emissão de PM [g/km] 0,0010 0,0010 0,0% Emissão de CO2 [g/km] 134,16 132,87 -1,0%
Para os ciclos de velocidade recolhidos nos percursos de teste apresentados anteriormente, foi
feita a mesma comparação, com os seguintes resultados:
Tabela 5-12 - Resultados da simulação no EcoGest da Viagem 1 (Lisboa - Cascais) variando as
relações de transmissão, valores à saía do escape.
Viagem 1: Lisboa - Cascais Transmissão Original
Transmissão “Longa”
Variação
Consumo de Combustível [g/km] 51,94 50,89 -2,0% Emissão de HC [g/km] 0,033 0,028 -15,2% Emissão de CO [g/km] 0,322 0,274 -14,9% Emissão de NOX [g/km] 0,253 0,247 -2,4% Emissão de PM [g/km] 0,0014 0,0014 0,0%
Emissão de CO2 [g/km] 163,54 160,48 -1,9%
Tabela 5-13 - Resultados da simulação no EcoGest da Viagem 2 (Cascais - Lisboa) variando as
relações de transmissão, valores à saía do escape.
Viagem 2: Cascais - Lisboa Transmissão Original
Transmissão “Longa”
Variação
Consumo de Combustível [g/km] 54,02 53,08 -1,7% Emissão de HC [g/km] 0,030 0,026 -13,3% Emissão de CO [g/km] 0,299 0,251 -16,1% Emissão de NOX [g/km] 0,281 0,276 -1,8% Emissão de PM [g/km] 0,0015 0,0015 0,0% Emissão de CO2 [g/km] 170,34 167,63 -1,6%
70
É de notar que os valores simulados apresentados para a transmissão original não são iguais
aos apresentados em § 5.3.2.3 e § 5.3.2.4. Esta diferença deve-se ao facto de anteriormente
se ter usado a informação relativa à utilização da caixa de velocidades que foi documentada
através do laboratório experimental no decorrer dos percursos de teste, enquanto que para a
comparação que se aborda neste capítulo, foi utilizada a função do EcoGest que simula o
comportamento de uma caixa de velocidades automática, com passagens de caixa às
velocidades apresentadas na Figura 5-25.
Se as variações no consumo de combustível, emissão de NOx, PM e CO2 não são
significativas, apontando para o facto de a forma como é utilizada a caixa de velocidades
(velocidade a que é engrenada a mudança seguinte), que se mantém nos três exemplos, ser
mais relevante do que as próprias relações de transmissão, o mesmo não se verifica nas
emissões de HC e CO. Esta redução mais significativa deve-se ao facto de, sendo as relações
de transmissão mais “longas”, para uma determinada velocidade da viatura, a velocidade de
rotação do motor é inferior. Sendo a velocidade de rotação do motor inferior, para se obter a
mesma potência, terá que se aumentar a carga. Estes dois factores conjugados (menor rotação
do motor, carga mais elevada) favorecem a diminuição das emissões de HC e CO nas
situações de carga mais reduzidas (até aproximadamente 45% - Figuras 5-18 e 5-19), que
foram as mais frequentes nos exemplos considerados.
Naturalmente, uma alteração nas relações de transmissão da viatura tem impacto no
desempenho dinâmico da mesma. Para ter uma estimativa desse impacto, foi utilizado o
simulador ADVISOR, que permite obter uma estimativa do tempo necessário para a viatura
chegar dos 0 aos 100 km/h. Assim, a simulação para a viatura na sua configuração original
aponta para um valor de 9,2 s (valor anunciado pelo fabricante: 9,0 s). Para a caixa fictícia, o
valor simulado é de 9,3 s, o que representa uma variação de +1,1%.
5.5.2 Variação do Número de Ocupantes
Outra situação hipotética considerada foi comparar os dados simulados para as Viagens 1 e 2,
em que a viatura levava uma carga de 140 kg (dois ocupantes + equipamento) (§ 5.3.2.3 e §
5.3.2.4), com a situação hipotética de uma ocupação com cinco passageiros, o que equivaleria
a 350 kg. Os resultados obtidos foram os seguintes:
71
Tabela 5-14 - Resultados da simulação no EcoGest da Viagem 1 (Lisboa - Cascais) variando a
ocupação da viatura, valores à saía do escape.
Viagem 1: Lisboa - Cascais 2 ocupantes + equipamento (total:140 kg)
5 ocupantes (total: 350 kg)
Variação
Consumo de Combustível [g/km] 50,94 52,37 2,8% Emissão de HC [g/km] 0,032 0,032 0,0% Emissão de CO [g/km] 0,312 0,311 -0,3% Emissão de NOX [g/km] 0,252 0,263 4,4% Emissão de PM [g/km] 0,0014 0,0014 0,0% Emissão de CO2 [g/km] 160,41 164,98 2,8%
Tabela 5-15 - Resultados da simulação no EcoGest da Viagem 2 (Cascais - Lisboa) variando a
ocupação da viatura, valores à saía do escape.
Viagem 2: Cascais - Lisboa 2 ocupantes + equipamento (total:140 kg)
5 ocupantes (total: 350 kg)
Variação
Consumo de Combustível [g/km] 50,87 52,85 3,9% Emissão de HC [g/km] 0,022 0,022 0,0% Emissão de CO [g/km] 0,219 0,218 -0,5% Emissão de NOX [g/km] 0,263 0,278 5,7% Emissão de PM [g/km] 0,0014 0,0015 7,1% Emissão de CO2 [g/km] 160,81 167,11 3,9%
Tal como seria de esperar, o consumo de combustível aumenta ligeiramente, o que se deve à
necessidade de, essencialmente nas situações de aceleração, ser necessária maior potência
para a mesma aceleração, ou seja, e uma vez que em todos os momentos a velocidade de
rotação do motor é igual para ambas as situações, o motor estar sujeito a uma carga superior.
Na Figura 5-17 verifica-se que, para uma mesma velocidade de rotação do motor, uma carga
superior implica um consumo de combustível maior. O mesmo raciocínio se aplica à emissão
de NOX e PM, que apresentam as variações mais relevantes.
5.5.3 Variação do Peso da Viatura
Foi também comparado o impacto no desempenho energético e ambiental da viatura nas
Viagens 1 e 2 com a sua tara real (1426,2 kg) e com uma tara inferior em 40% (855,7 kg), que
poderia ser atingida recorrendo à utilização extensiva de materiais compósitos. Foram obtidos
os seguintes resultados:
72
Tabela 5-16 - Resultados da simulação no EcoGest na Viagem 1 (Lisboa - Cascais) variando a tara
da viatura, valores à saía do escape.
Viagem 1: Lisboa - Cascais Tara original (1426,2 kg)
60% da tara original (855,7 kg)
Variação
Consumo de Combustível [g/km] 50,94 42,16 -17,2% Emissão de HC [g/km] 0,032 0,034 6,3% Emissão de CO [g/km] 0,312 0,321 2,9% Emissão de NOX [g/km] 0,252 0,185 -26,6% Emissão de PM [g/km] 0,0014 0,0010 -28,6% Emissão de CO2 [g/km] 160,41 132,32 -17,5%
Tabela 5-17 - Resultados da simulação no EcoGest na Viagem 2 (Cascais - Lisboa) variando a tara
da viatura, valores à saía do escape.
Viagem 2: Cascais - Lisboa Tara original (1426,2 kg)
60% da tara original (855,7 kg)
Variação
Consumo de Combustível [g/km] 50,87 41,10 -19,2% Emissão de HC [g/km] 0,022 0,023 4,5% Emissão de CO [g/km] 0,219 0,229 4,6% Emissão de NOX [g/km] 0,263 0,187 -28,9% Emissão de PM [g/km] 0,0014 0,0010 -28,6% Emissão de CO2 [g/km] 160,81 129,58 -19,4%
Tal como seria de esperar, o consumo de combustível e a emissão de NOX, PM e CO2
apresentam reduções consideráveis. No entanto, a emissão de HC e CO aumentam para o
caso hipotético de redução de 40% da tara da viatura. Este aumento é justificado pela mesma
razão apresentada no caso da transmissão de relações mais “longas”, ou seja, para uma
mesma aceleração da viatura, no caso em que a viatura é mais pesada é necessária uma
maior potência, que se traduz numa carga mais elevada (dado que a velocidade de rotação é
igual em todos os momentos), situação que, como vimos anteriormente, favorece a redução
das emissões de HC e CO na gama de utilização do motor mais utilizada.
Da mesma forma que o feito para a situação de alteração das relações de transmissão, foi
utilizado o ADVISOR para estimar a variação no tempo que leva a viatura a chegar dos 0 aos
100 km/h. Neste caso, o valor simulado foi de 7,0 s, o que representa uma variação de -13,0 %
em relação aos 9,2 s da viatura original.
73
5.5.4 Sistema de Arranque Automático Stop&Start
Em § 5.3.2.3 é possível verificar o impacto que o sistema de arranque automático stop&start
(sistema instalado na viatura que desliga o motor sempre que a viatura está imobilizada e em
ponto-morto, voltando a ligá-lo quando o condutor carrega no pedal da embraiagem para
engrenar a 1ª velocidade para pôr a viatura de novo em marcha) tem nos valores simulados
para o NEDC. Uma vez que este sistema não foi usado nas viagens de teste, foi simulado o
seu efeito para estes dois casos. Para tal foi usado como base os valores simulados para estes
dois percursos apresentados nas Tabelas 5-8 e 5-9. De forma a simular o efeito do sistema de
arranque automático, retiraram-se aos valores totais simulados a parcela obtida enquanto a
viatura está ao ralenti. Tal é possível porque o EcoGest fornece dados relativos a esta parcela
separadamente. Assim, tem-se:
Tabela 5-18 - Resultados da simulação no EcoGest na Viagem 1 (Lisboa - Cascais) e estimativa do
impacto do sistema de arranque automático, valores à saía do escape.
Viagem 1: Lisboa - Cascais Sem arranque automático
Com arranque automático
Variação
Consumo de Combustível [g/km] 50,94 48,55 -4,7% Emissão de HC [g/km] 0,032 0,030 -5,9% Emissão de CO [g/km] 0,312 0,295 -5,4% Emissão de NOX [g/km] 0,252 0,244 -3,3% Emissão de PM [g/km] 0,0014 0,0013 -3,7% Emissão de CO2 [g/km] 160,41 152,87 -4,7%
Tabela 5-19 - Resultados da simulação no EcoGest na Viagem 2 (Cascais - Lisboa) e estimativa do
impacto do sistema de arranque automático, valores à saía do escape.
Viagem 2: Cascais - Lisboa Sem arranque automático
Com arranque automático
Variação
Consumo de Combustível [g/km] 50,87 49,04 -3,6% Emissão de HC [g/km] 0,022 0,021 -6,5% Emissão de CO [g/km] 0,219 0,207 -5,7% Emissão de NOX [g/km] 0,263 0,257 -2,4% Emissão de PM [g/km] 0,0014 0,0014 -2,8% Emissão de CO2 [g/km] 160,81 155,02 -3,6%
74
5.5.5 Hibridização da Viatura
O último cenário alternativo considerado foi a de hibridização da viatura através da adição de
acumuladores eléctricos e de um motor eléctrico, com possibilidade de locomoção exclusiva
usando apenas o motor eléctrico (configuração denominada por full hybrid).
Para simular o consumo de combustível no NEDC foi utilizado o simulador ADVISOR, já que o
EcoGest não contempla actualmente a possibilidade de fazer simulações para veículos
híbridos. Foram comparadas duas configurações da viatura de teste: a configuração original e
a configuração híbrida, com um motor Diesel de 55 kW de potência máxima em conjunto com
um motor eléctrico de 50 kW e baterias de lítio de 6,5 kWh. Os dados relativos à componente
eléctrica, pneumáticos e transmissão utilizados são os do Toyota Prius. Em termos de massa, a
viatura na configuração híbrida apresenta um acréscimo de 1,8%.
Figura 5-42 - Janela de entrada de dados do ADVISOR, com a hibridização do BMW 118d LCI.
No que se refere ao desempenho, o ADVISOR estima uma acelereção dos 0 aos 100 km/h
cumprida em 9,9 s (acréscimo de 7,6% em relação à configuração original) e em relação ao
consumo de combustível no NEDC, o valor simulado para a configuração híbrida é de 5,7 l/100
km, o que apresenta uma redução de 17,4 %, uma vez que o valor simulado no ADVISOR para
a configuração original da viatura foi de 6,9 l/100 km.
75
Figura 5-43 - Resultados do ADVISOR para o NEDC, com a hibridização do BMW 118d LCI.
76
6 Conclusões e Indicações para Trabalho Futuro
O presente estudo visa a aplicação do EcoGest ao caso específico de uma viatura ligeira
equipada com uma motorização Diesel, de forma a que se possa assim obter uma simulação
do seu desempenho energético e ambiental em determinado percurso e quando conduzido de
determinada forma. De forma a validar os valores de consumo de combustível simulados, estes
foram comparados com os dados medidos através da instalação de um laboratório
experimental numa viatura de teste e com os valores divulgados na homologação da viatura.
Assim, após a selecção de uma viatura de teste e do laboratório experimental apropriado à
recolha dos dados necessários ter sido instalado, procedeu-se à recolha de dados
topográficos, dinâmicos e do consumo de combustível nos percursos previamente escolhidos.
Estes dados foram inseridos no EcoGest e comparados com os valores simulados. Para os
percursos seleccionados, foram obtidas diferenças entre os valores médios do consumo de
combustível simulados e medidos de -2,5% (5,92 l/100 km vs. 6,07 l/100 km) e 0,0% (5,92 l/100
km vs. 5,92 l/100 km). Em relação aos dados de homologação da viatura, o consumo médio
anunciado para o percurso do NEDC (New European Driving Cycle) é de 4,7 l/100 km, tendo
sido obtido um valor simulado de 4,98 l/100 km, ou seja, +5,9%. Da comparação consumo de
combustível medido nas viagens reais com o valor homologado para o NEDC, verificou-se uma
variação de +29,1% e 26,0%. Se se compararem as emissões simuladas para os percursos
reais com as homologadas para o NEDC, verifica-se uma variação máxima de -43,6% para os
HC, de 43,1% para o CO, de +45,3% para o NOX e de +30,7% para o CO2, todos eles na
Viagem 2 (Cascais – Lisboa).
Da aplicação do EcoGest às situações descritas obteve-se também uma estimativa das
emissões de gases de escape.
Outro dos objectivos do estudo foi, após validação dos valores simulados, utilizar o EcoGest
para simular diferentes configurações da viatura e da sua ocupação de forma a estimar o seu
impacto no desempenho energético e ambiental da viatura.
Assim, foi simulado o caso em que a viatura estava equipada com uma transmissão de
relações mais “longas”, que resultou numa variação no consumo médio de combustível de
entre -2,0% e -1,2% nos percursos de teste e no NEDC. Em relação às emissões de gases de
escape, as variações mais relevantes são do CO e do HC, com valores entre -16,1% e -13,0%
e -15,2% e -10,3%, respectivamente.
Foi também simulada a situação de uma variação da ocupação da viatura nos percursos de
teste entre os 2 ocupantes e carga (total de 140 kg) da situação simulada inicialmente para
77
uma ocupação de 5 ocupantes (total de 350 kg), com uma variação no consumo de
combustível máxima de +3,9%. Neste caso, os gases de escape com variações mais elevadas
foram o NOX com +5,7% e as partículas, com +7,1%. Neste caso, o consumo de combustível
por passageiro passa de 25,47 g/km para 10,47 g/km (-58,9%) na Viagem 1 e de 25,44 g/km
para 10,57 g/km (-58,4%) na Viagem 2.
Outra situação simulada foi a redução do peso da viatura em 40%, que resultou numa variação
do consumo de combustível médio máxima de -19,2% face aos resultados simulados para os
percursos de teste. Também neste caso se verificou que os gases de escape com maior
variação foram o NOX e as partículas, com -28,9% e -28,6% respectivamente de variação
máxima.
Foi também simulado o efeito do sistema de arranque automático stop&start nos percursos de
teste. Neste caso, o consumo de combustível variou em -4,7% e -3,6% em ambos os
percursos, tendo-se verificado variações nas emissões dos diversos gases de escape de entre
-2,4% e -6,5%.
Finalmente, foi simulada a hibridização da viatura de teste usando o simulador ADVISOR. Foi
simulado o NEDC, com uma redução do consumo de combustível médio de 17,4% face a
configuração original da viatura, para prestações equiparáveis. Em [24], o custo estimado
adicional para a hibridização total é de entre USD $1900 e USD $1700. Se se tomar o valor de
17 929 km/ano[25] percorridos em média pelos utilizadores de viaturas ligeiras Diesel em
Portugal em 2007, a inflacção de 3,1% de 2006[26], a taxa de câmbio de 1,4049 €/USD (a
21.09.2007)[27] e o preço do gasóleo à data de 23.09.2007 de 1,11 €/l, o ponto de “break-even”
entre o investimento adicional inicial e a poupança de combustível é atingido no final de
aproximadamente entre 6,1 e 7,0 anos.
Como trabalho futuro, e em relação à emissão de gases de escape, seria uma mais valia
conseguir integrar um analisador de gases de escape com o laboratório FrotLab, de forma a
registar não só o consumo de combustível, tal como apresentado na tese, mas também as
emissões de poluentes. A medição de várias classes de carros Diesel permitiria construir uma
base de dados de emissões que possibilitariam a construção/validação de modelos de
tratamento de gases de escape para o sistema de tratamento típico de veículos equipados com
motor Diesel (catalisadores de oxidação, catalisadores de redução e filtros de partículas). Para
além disso, a utilização do analisador também antes do sistema de tratamento de gases de
escape permitiria aferir os mapas de motor gerados pelo modelo DEMB.
78
7 Referências Bibliográficas
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disponível em www.mercedes-benz.com (último acesso: 03.03.2007).
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[11] www.acea.be (último acesso: 15.09.2007).
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[13] Comunicado de Imprensa IP/07/155 da Comissão Europeia.
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