Engenharia Mecânica nos Motores dos Automóveisprojfeup/submit_14_15/uploads/... · 2014-11-20 · Engenharia Mecânica nos Motores dos Automóveis iii MIEM 1M05_02 Projeto FEUP

Engenharia Mecânica nos Motores dos Automóveis

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica

Supervisores:

Ana Rosanete Lourenço Reis

João Pedro Duarte

Monitor:

Mário Silva

Turma: 1M05

Equipa: 1M05_02

Bernardo José Pinho Sampaio - 201405353

Catarina da Silva Pereira Borges - 201403790

Diogo Matos de Jesus Monteiro - 201403846

Francisco Forte Alvim de Castro - 201403574

Francisco Gomes Machado Monteiro Fernandes - 201404225

Data de entrega:

3 de novembro de 2014

Novembro 2014


i

MIEM 1M05_02 Projeto FEUP

Agradecimentos

Gostaríamos de agradecer a todos os que colaboraram na realização deste projeto.

Em particular, e em primeiro lugar, à professora Ana Reis, supervisora do “Projeto

FEUP”, que sempre se mostrou disponível para debater as diversas vertentes do

nosso tema. Em segundo lugar, gostaríamos de agradecer ao supervisor João Pedro

Duarte por nos auxiliar na escolha do melhor percurso para o projeto e elucidar

diversas questões relacionadas com o mesmo. Por último, reconhecemos a ajuda do

monitor Mário Silva que colaborou na escolha do tema mais conveniente e que, no

decorrer da realização do projeto, se apresentou disponível para esclarecer todas as

nossas dúvidas.


ii


Resumo

O presente relatório exibe a atividade desenvolvida ao longo das últimas

semanas no âmbito da unidade curricular “Projeto FEUP”, integrado no

Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica (MIEM), que tem como propósito

fazer uma comparação entre veículos munidos de motores elétrico, de

combustão interna e híbridos.

O projeto apresenta um contexto histórico de todos os géneros de veículos

mencionados, e também refere o seu modo de funcionamento. A parte fulcral

do trabalho é a comparação entre veículos com motor elétrico, de combustão

interna e híbridos. Com esta comparação tenta-se perceber, do ponto de vista

do consumidor, qual será o tipo de veículos com melhor relação

qualidade/preço. Ir-se-ão comparar diversos paramentos, entre os quais o

custo, a autonomia e o impacto ambiental. Tudo isto será realizado de uma

forma geral pois, como é lógico, estes fatores não dependem apenas do

género de motor que integra o veículo, mas também do cuidado do utilizador,

da forma como conduz o veículo, da carga que transporta, da caixa de

velocidades, entre outros.

A análise comparativa permitiu concluir que os veículos elétricos não são tão

ecológicos como se poderia pensar e, a níveis monetários, são bastante

proibitivos para a maioria dos consumidores, não chegando, portanto, a ser

uma opção para grande parte da população. Os híbridos têm aproximadamente

o mesmo custo, poluindo um pouco mais, mas, a sua a grande vantagem é

terem uma autonomia muito mais vantajosa que os elétricos (que não têm

autonomia suficiente para as deslocações usuais da maior parte da população).

A grande desvantagem dos automóveis com motor de combustão interna é o

impacto ambiental, pois em termos de autonomia e custos de aquisição são

substancialmente superiores. Avaliando todos estes pontos, e tendo em conta

a continuidade do nosso planeta, a melhor opção será talvez o automóvel

híbrido, por assegurar a maior parte das necessidades de deslocação e por ser

menos poluente que o motor de combustão interna, consumindo menos

combustível, e tendo de se abastecer com uma menor frequência.


iii


Índice

Agradecimentos i

Resumo ii

Índice iii

Índice de figuras iv

Introdução 1

Motor de Combustão Interna 3

Contexto Histórico 3

Modo de Funcionamento 7

Motor elétrico 10



Automóveis Híbridos 20



Comparação entre veículos híbridos, com motor elétrico, e de combustão interna

22

Autonomia 22

Impacto Ambiental 24

Custos 27

Conclusão 28

Referências Bibliográficas 29


iv


Índice de Figuras

Figura 1. Modelo do motor Barsanti-Matteucci (1853) 4

Figura 2. Motor de combustão interna patenteado por Karl Benz (1886) 5

Figura 3. Motor boxer de Karl Benz (1899) 5

Figura 4. Funcionamento de um motor a quatro tempos (Ciclo de Otto) 7

Figura 5. Funcionamento de um motor a quatro tempos (Ciclo de Diesel) 8

Figura 6. Motor de Ányos Jedik (1828) 10

Figura 7. Motor de Thomas Davenport (1834) 10

Figura 8. Carro elétrico de Stratingh e Groningen (1835) 11

Figura 9. Triciclo de William Ayrton & John Perry (1881) 11

Figura 10. Táxi elétrico em Nova Iorque (1897) 12

Figura 11. Tipos de motores usados em veículos elétricos 15

Figura 12. Diagrama vetorial do motor de indução 16

Figura13. Sistema de acionamento de um motor de relutância comutada 18

Figura 14. Primeiro carro hibrido de Porsche 20


1


Introdução

Este projeto, intitulado “Engenharia Mecânica nos Motores dos Automóveis”, foi

realizado no âmbito da unidade curricular “Projeto FEUP”, do Mestrado Integrado em

Engenharia Mecânica, pela equipa 1M05_02.

O setor dos transportes, recentemente, tem sofrido uma grande renovação,

enfrentando desafios crescentes em termos do consumo de energia e recursos

naturais, bem como em termos de emissões de gases com efeito de estufa. No

decorrer dos últimos 20 anos, o crescimento do número de veículos per capita tem

aumentado substancialmente. Em 1991, nos 27 Estados-Membros da União Europeia

(EU-27), existiam 334 automóveis ligeiros de passageiros por cada 1000 habitantes.

Em 2009 esse valor já se encontrava nos 473. Em Portugal, no mesmo período, este

número passou de 183 para 549, o que demonstra um elevado aumento da taxa de

motorização do país [1].

Em Portugal, em 2009, sabe-se também que o setor dos transportes consumiu 76,5%

dos produtos derivados do petróleo, sendo 81,9% destes absorvidos pelo setor

rodoviário. Em relação aos EU-27, em 2011, estes valores são, respetivamente, 63,8%

e 82,6% [2],[3].

Adicionalmente, em 2011, o setor dos transportes, nos EU-27, foi responsável por 33%

da energia total consumida, sendo que, a componente rodoviária representa 81,7%

desse consumo. Em Portugal, no mesmo ano, estes valores são mais alarmantes,

visto que, o setor dos transportes é responsável por cerca de 40% da energia total

consumida, representando a componente rodoviária 82,3% desse consumo [2],[3].

Devido à crescente preocupação com a escassez de recursos naturais (como o

petróleo), com o aquecimento global e com os gastos energéticos e monetários que os

transportes rodoviários acarretam e, após um longo período de domínio de mercado

dos motores de combustão interna, começam a emergir motores alternativos ao

tradicional motor de combustão interna. Entre estes, destacam-se os veículos híbridos

gasolina-elétrico, e os veículos elétricos a bateria [4].

O papel da Engenharia Mecânica em todas as componentes do veículo é bastante

explicito, mas, neste caso, vamos falar no trabalho que muitos desenvolveram ao

tentar “dar vida” a um veículo de diferentes formas, através do seu motor. Será


2


explorado o funcionamento dos géneros de motores supracitados, paralelamente ao

de combustão interna, apresentando também uma breve comparação entre eles.


3


Motor de Combustão Interna

Contexto Histórico

A invenção do motor de combustão interna e o seu desenvolvimento, ao longo do

tempo, foi um marco importante no setor dos transportes tornando possível a rápida

mobilidade de pessoas e bens.

Os primeiros motores a combustão externa (motores a vapor) – o combustível era

queimado numa estrutura externa ao cilindro do motor – apareceram no século XVIII

sendo a lenha o combustível utilizado, naquela época muito abundante e a baixo custo

[5]. Estes motores a vapor foram largamente utilizados para diversos fins, nas minas

para bombeamento de água, nos transportes (comboio), com o passar do tempo foram

substituídos pelos motores de combustão interna que apareceram no século XIX [6].

Nestes, o combustível é queimado dentro do próprio motor e o seu aparecimento

provocou um rápido desenvolvimento mecânico. Estes motores apresentam vantagens

sobre os motores a vapor, pela sua versatilidade, eficiência, menor peso e facilidade

de adaptação a diversos tipos de máquinas [5].

Foram vários os cientistas e engenheiros que contribuíram para o desenvolvimento

dos motores de combustão interna. Em 1824, o físico francês Léonard Sadi Carnot

estabeleceu a teoria termodinâmica dos motores térmicos, motores a dois tempos,

porém o primeiro motor de combustão interna patenteado fora desenvolvido pelo

americano Samuel Morey, dois anos mais tarde [7].

Eugenio Barsanti e Felice Matteucci, 1853, inventaram e patenteou um motor

utilizando o princípio de pistão livre que foi, possivelmente, o primeiro motor de quatro

tempos. Quatro anos mais tarde descreveram os princípios do motor de êmbolo livre.

Otto e Langen foram os primeiros a fazer um motor comercializável com base neste

conceito dez anos mais tarde. [7]


4


Figura 1. Modelo do motor Barsanti-Matteucci (1853) [6]

O belga Jean Joseph Etienne Lenoir, em 1860, produziu um motor de combustão

interna a gás de aparência semelhante à de um motor horizontal de dupla ação de

vapor, com cilindros, pistões, bielas e volante em que o gás substituiu o vapor. Este foi

o primeiro motor de combustão interna a ser produzido em massa. Um ano mais tarde,

1861, Alphonse Beau de Rochas patenteou o motor a quatro tempos. Em 1863,

Nicolaus Otto patenteou em Inglaterra e noutros países o seu primeiro motor de gás

atmosférico. Otto foi o primeiro a construir e vender este tipo de motor, com um pistão

livre de ação indireta, cujo grande eficiência ganhou o apoio de Eugen Langen e, em

seguida, a maior parte do mercado. Este motor ganhou o primeiro prémio na

exposição de Paris em 1867. Posteriormente, em 1876, Otto trabalhou com Gottlieb

Daimler e a Wilhelm Maybach para desenvolverem e produzirem industrialmente o

motor a quatro tempos [7].

Karl Benz, em 1879, trabalhando de forma independente, patenteou o seu motor de

combustão interna a gasolina de dois tempos, baseado na mesma tecnologia que o

trabalho de De Rochas. Mais tarde, projetou e construiu o seu próprio motor de quatro

tempos, que foi utilizado nos seus automóveis, que foram desenvolvidos em 1885,

patenteado em 1886, e se tornaram os primeiros automóveis na produção.


5


Figura 2. Motor de combustão interna patenteado por Karl Benz (1886) [6]

Em 1896, dez anos após ter patenteado o seu primeiro carro com motor a gasolina,

Karl Benz patenteou o primeiro motor boxer, atualmente utilizado nos Porsche e nos

Subaru, com cilindros opostos horizontalmente [7], [8].

Figura 3. Motor Boxer de Karl Benz (1899) [9]

O engenheiro alemão Rudolf Diesel, quatro anos mais tarde, patenteou um motor de

combustão de elevada eficiência movido, inicialmente a óleo de amendoim, e, hoje em

dia, a gasóleo, um combustível fóssil proveniente de reservas petrolíferas. Este motor

baseava-se nos estudos que tinha feito anteriormente sobre o aquecimento feito pela

compressão do ar, capaz de inflamar combustível, ou seja, a ignição da mistura ar

mais combustível era feita por compressão. Ainda hoje, se emprega o seu nome como

sinónimo de combustível para o motor desenvolvido por ele, o motor a diesel [7].


6


Em 1902, Louis Renault, fundador do Grupo Renault, criou um mecanismo que

aumenta a eficiência do automóvel, introduzindo mais oxigénio no motor, o

supercompressor. Este sistema é semelhante ao turbocompressor, inventado por

Alfred Buchi em 1905, que usa os gases de escape para fazer mover uma turbina e

aumentar a eficiência do motor. [8]

Os motores de combustão interna, começaram a partir daí a ser utilizados em

automóveis devido às suas ótimas características, como a flexibilidade para trabalhar

em diversas velocidades, a potência satisfatória para propulsão destes veículos, e

poderia ter custos reduzidos devido produção em massa [7].

Ao longo do século XX, como forma de elevar a potência e melhorar a performance

dos veículos, estes motores foram aperfeiçoados, com os contributos da investigação

que se faz nesta área, em relação ao desenho, número e disposição dos cilindros,

surgindo, assim, motores de 4 a 12 cilindros, e, mais tarde, motores com cilindros em

V. [7].


7


Modo de Funcionamento

O princípio por detrás do motor de combustão interna é que se se puser uma pequena

quantidade de um combustível de elevado poder energético, num espaço pequeno e

fechado, e se inflamar esse combustível através de uma faísca (combustão) ou pela

compressão das partículas do ar, ele irá expandir sob a forma de gás, podendo-se

usar esta energia da expansão do gás para mover o pistão, criando um ciclo que

providencia uma sequência de explosões que poderá acontecer centenas de vezes

por minuto [10].

Existem vários tipos de motores de combustão interna, tais como os motores de dois

tempos, motores rotativos, motores Stirling, e motores de turbinas a gás. No entanto,

neste trabalho, como a maior parte dos veículos convencionais usam o chamado

motor a quatro tempos (também conhecido como ciclo de Otto), irá considerar-se

apenas este tipo de motor. É no motor que ocorre a conversão da energia armazenada

no combustível (gasolina, gasóleo, gás, biodiesel) em energia mecânica. O ciclo que

providencia esta sequência de explosões capazes de criar movimento em quatro

tempos, é conhecido por Ciclo de Otto [10].

Motores a quatro tempos a gasolina

Apresenta-se de seguida e de forma sucinta o funcionamento destes motores (ciclo de

Otto) [11]:

1. Admissão: Nessa etapa a válvula de admissão permite a entrada, na câmara

de combustão, de uma mistura de ar e combustível enquanto o pistão se move

de forma a aumentar o espaço no interior da câmara.

2. Compressão: Nesta etapa as válvulas de admissão e de escape estão

fechadas, e o pistão sobe o cilindro de forma a comprimir a mistura, fazendo

Admissão Compressão Combustão Escape Ignição

Figura 4. Funcionamento de um motor a quatro tempos (Ciclo de Otto) [11]


8


com que o seu volume diminuía. Quando o pistão atinge o topo, a vela de

ignição produz uma faísca e a mistura ar mais combustível entra rapidamente

em combustão o que implica o aumento da pressão com a explosão.

3. Expansão: Nesta etapa a temperatura e a pressão aumentam no cilindro

fazendo com que o pistão desça, ocorre a expansão da mistura queimada.

4. Exaustão: a válvula de escape abre-se e os gases resultantes da combustão

saem percorrendo uma série de tubagens até ao escape, o pistão sobe.

Posteriormente, o ciclo reinicia-se, voltando outra vez ao primeiro tempo.

Motores a quatro tempos a gasóleo (ciclo de Diesel)

O motor a combustão interna de pistão que funciona segundo o ciclo Diesel apresenta,

durante o funcionamento, quatro fases, como se pode ver na figura 5 [5]:

Figura 5. Funcionamento do motor a quatro tempos (Ciclo de Diesel) [5]

1. Admissão: Nessa fase, o pistão desce, a válvula de admissão está aberta e a

de escape fechada. Ao descer, o pistão cria uma depressão no cilindro. O ar

atmosférico é forçado a entrar no cilindro devido à diferença de pressão criada,

passando pelo filtro de ar e pela tubulação de admissão.

2. Compressão: Nesta etapa as válvulas de admissão e de escape estão

fechadas. O pistão sobe o cilindro de forma a comprimir o ar na câmara de

compressão. Devido à compressão, a temperatura do ar sobe atingindo cerca

de 600 ºC.

Admissão Compressão Combustão Escape


9


3. Combustão – Expansão: Nesta etapa as válvulas de admissão e de escape

permanecem fechadas. o bico injetor injeta, finamente pulverizado, o gasóleo

no interior da câmara de combustão. O gasóleo em contacto com o ar quente

inflama-se espontaneamente, iniciando a combustão. Os produtos da

combustão expandem-se impelindo o pistão para baixo. A expansão é o único

tempo que produz energia.

4. Exaustão: a válvula de admissão está fechada e a de escape está aberta. Os

gases resultantes da combustão saem para a atmosfera através da válvula de

escape, o pistão sobe reiniciando-se o ciclo.

Assim, o pistão é o elemento que se movimenta no ciclo criando um movimento linear

no motor que depois, através da cambota é transformado num movimento rotativo que

provoca, no caso dos automóveis, o seu movimento. Tudo isto foi projetado e

desenvolvido por engenheiros mecânicos, que apaixonados pela ideia de existirem

veículos pessoais controlados pelo ser humano sem grande esforço, nunca se

cansaram até aos dias de hoje de aperfeiçoar e criar motores mais eficientes,

consoante os objetivos que tinham, reduzir o custo, aumentar a potência, aumentar a

autonomia de um automóvel, ou até reduzir os impactes ambientais, baseando-se

sempre nas ideias já criadas por outros engenheiros [10].


10


Motor Elétrico

Contexto Histórico

Os veículos elétricos surgiram em meados do seculo XIX com a invenção do motor

elétrico por Michael Faraday em 1821, ano em que publicou o seu trabalho sobre os

princípios de funcionamento do motor elétrico [12]. Em 1828, o húngaro, Ányos Jedlik

inventou um modelo primitivo de motor elétrico e criou um pequeno carro movido pelo

seu motor elétrico [13].

Figura 6. Motor de Ányos Jedik (1828) [13]

Em 1834, Vermont Thomas Davenport, desenvolveu um motor elétrico

alimentado por uma bateria que instalou num pequeno modelo de carro [13].

Figura 7. Motor de Thomas Davenport (1834) [13]

Entre 1832 e 1839 surgiu o primeiro carro elétrico inventado na Escócia por Robert

Anderson [14]. Mais tarde, em 1835, outro carro elétrico de pequena escala foi

projetado pelo Professor Stratingh de Groningen, na Holanda, e construído pelo seu

assistente Christopher Becker, este modelo foi o precursor do carro elétrico [14].


11


Figura 8. Carro elétrico de Stratingh e Groningen (1835) [13]

No período de tempo que se seguiu, foram-se construindo outros modelos,

aperfeiçoando-os. Nestes veículos foram usadas pilhas elétricas não recarregáveis,

mas, em 1865 Frances Gaston Planté inventou uma bateria recarregável de chumbo-

ácido, que foi melhorada por Camille Faure, em 1881 [13]. Esta melhoria da

capacidade de armazenamento de energia abriu caminho para o progresso dos

veículos elétricos [15].

Também em 1881, os ingleses William Ayrton & John Perry construíram o primeiro

veículo de estrada elétrico, um triciclo usando dez células de chumbo-ácido de Planté

em série. Este veículo foi o primeiro a ter iluminação elétrica [13].

Figura 9. Triciclo de William Ayrton & John Perry (1881) [13]

As primeiras nações a apoiar o desenvolvimento deste género de veículo foram

França e a Grã-Bretanha. Todavia, desde muito cedo os americanos começaram


12


também a prestar-lhes atenção, com a construção de um veículo de passageiros de

quatro cavalos de William Morrison, em 1891, no Iowa [15],[16].

Em 1897, foi encontrada a primeira aplicação comercial dos veículos elétricos nos

Estados Unidos da América, umaz frota de táxis em Nova Iorque, construídos pela

Electric Carriage and Wagon Company of Philadelphia [13],[16].

Figura 10. Taxi elétrico em Nova Iorque (1897) [13]

Em 1898 o Dr. Ferdinand Porsche aos 23 anos construiu o seu primeiro carro, Lohner

Electric Chaise. O segundo carro de Porsche era hibrido, usando um motor de

combustão interna para fazer girar um gerador que fornecia energia aos motores

elétricos localizados nas rodas [13].

Em 1900, 28% dos carros nos Estado Unidos eram elétricos. Mas, após este período

próspero, Henry Ford introduziu o Modelo T, com motor de combustão interna e

produzido em grandes quantidades, tornando os automóveis acessíveis às massas,

fazendo com que o carro elétrico caísse em desuso [16].

Em 1920, o carro elétrico tinha já quase completamente desaparecido, em prol de

veículos a gasolina, que faziam maiores distâncias e tinham um preço bastante mais

acessível, por serem construídos em grandes quantidades [16].

Embora os carros elétricos tenham sido postos de parte, a eletricidade ainda fazia

mover os comboios nas minas de carvão e nos metropolitanos, onde o fumo não podia

existir [14].

Novas oportunidades de mercado em relação ao veículo elétrico, que sempre foi

considerado suave e pouco poluente, surgiram na década de 70 do século XX devido


13


às crises do petróleo, conjuntamente com uma crescente preocupação ambiental e

avanços tecnológicos no campo das baterias e dos dispositivos eletrónicos [16].

Em 1974, foi então lançado o CitiCar da Vanguard-Sebring. Além de este veículo não

conseguir ultrapassar os 48 km/h e só conseguir fazer cerca de 65 km sem recarregar

a bateria, só foram fabricados cerca de dois mil veículos devido à sua falta de

segurança [16].

A General Motors começou, também, a financiar investigações na área dos carros

elétricos para o mercado consumidor, criando o EV1. Por volta de 1990 a Toyota tinha

também já produzido o RAV4 EV, que atingia cerca de 130 km/h e tinha autonomia

entre 130 a 190 km. [16]

Atualmente, os veículos elétricos são considerados o futuro da indústria automóvel,

mas ainda não são amplamente comercializados devido ao obstáculo persistente na

autonomia do veículo, causado por ainda não existir um método realmente eficaz de

armazenar a energia elétrica.


14



Um veículo elétrico é aquele que é movido integralmente por pelo menos um motor

elétrico [17]. Um motor elétrico é um dispositivo cujo objetivo é transformar energia

elétrica em energia mecânica utilizada para mover o veículo [18].

A energia elétrica usada para mover estes veículos pode ser proveniente de baterias,

células de combustível ou painéis fotovoltaicos. A maioria dos veículos elétricos

fabricados, utiliza baterias [17].

Os motores podem ser fabricados de diversas formas, mas, independentemente disso,

o princípio de funcionamento é o mesmo: o estator (parte fixa do motor) é alimentado

com energia elétrica, criando um eletroíman com um campo magnético variável. Esse

campo é o que faz o motor mover-se: o rotor (parte móvel do motor) movimenta-se sob

a influência da força que esse campo cria [18].

O motor elétrico fornece tração às rodas para se movimentarem em diferentes

situações de condução, incluído o arranque (start-up) e fases de aceleração, subida e

fase de cruzeiro [19]. Para atuar em todas estas situações, o motor elétrico necessita

de trabalhar numa ampla gama de velocidades (medidas em rpm, rotações por

minuto), necessita também de, dentro do possível, fornecer energia de uma forma

constante ao longo dessa gama de velocidades, e de fornecer um elevado binário

quando o veículo circula a uma velocidade reduzida, para fornecer tração para o

arranque e para subidas [20]. Em suma, necessita de um torque constante para baixas

velocidades do motor e uma região de potência constante para altas velocidades do

motor.

Existem vários tipos de motores que podem ser utilizados em veículos elétricos.

Ehasani et al. (2003) propõem a sua divisão em três subtipos: motores de indução,

motores de corrente contínua (DC) de ímanes permanentes (sem escovas) e motores

de relutância comutada. Esta proposta é corroborada por Xue et al. (2008), que,

acrescenta a consideração de motores DC convencionais (com escovas). É ainda,

adicionalmente, realçada a importância dos motores de corrente alternada (AC) de

ímanes permanentes. Este tipo de motores, aplicados em veículos elétricos, encontra-

se esquematizado na figura 11.


15


Figura 11. Tipos de motores usados em veículos elétricos [19]

Os motores de corrente contínua (DC) de ímanes permanentes (sem escovas),

apartam a necessidade de fornecer energia ao motor para produzir polos magnéticos

(precisamente por utilizar ímanes permanentes). Isto faz com que o motor seja

significativamente menos espaçoso e mais leve. As vantagens destes motores são a

sua eficiência e a sua boa refrigeração, porém, como não possuem muita capacidade

de reduzir o campo magnético, a zona de potência constante é menor, o que também

implica uma dificuldade acrescida na criação de um binário elevado. Estes motores

são complexos e dispendiosos [21].

Nos motores de corrente contínua (DC) convencionais (com escovas) o rotor

(constituído por um enrolamento) roda livremente entre os polos do estator. A corrente

elétrica é fornecida ao enrolamento do rotor por uma fonte de corrente continua (a

bateria), aplicada através de escovas a um coletor, sendo a rotação originada pela

interação entre o campo elétrico do rotor e o campo magnético existente entre os

polos norte e sul do estator. Para manter esta interação e a direção de rotação do

rotor, torna-se necessário que o sentido da corrente seja invertido duas vezes por

cada ciclo de rotação do rotor, no caso de um par de polos, conectando os

enrolamentos do rotor ao coletor, de modo a que as escovas entrem alternadamente

em contacto com as terminações opostas dos enrolamentos do rotor, em cada 180° de

rotação [21]

Motores elétricos

Corrente Alternada (AC)

motores de indução

ímanes permanentes

Relutância comutada

Corrente Contínua (DC)

De ímanes permanentes

(sem escovas)

Convencionais (com escovas)


16


Este tipo de motores possuem um elevado binário a baixas velocidades e uma relação

binário-velocidade adequada a aplicações de tração independente (veículos elétricos).

A velocidade destes motores é facilmente regulada através da variação da tensão de

alimentação do motor, e, devido à simplicidade associada ao seu modo de controlo,

estes motores têm sido amplamente utilizados em veículos elétricos. [19]

Estes motores têm também algumas limitações associadas: são volumosos e têm

peso elevado, baixa eficiência, fraca fiabilidade e requerem muita manutenção devido

à existência de comutador mecânico e escovas. [22]. As escovas, de carvão, são

componentes do motor que conduzem a energia das bobinas ao rotor. São

desgastadas por atrito, o que leva a uma perda gradual de eficiência.

No motor de indução, figura 12, o binário é

desenvolvido através da interação entre o

campo eletromagnético (radial) e a corrente

induzida por indução eletromagnética (entre o

rotor e os enrolamentos do estator) no rotor.

[23].

O estator é constituído por pequenas cavas onde se encontra o enrolamento trifásico.

O rotor do motor de indução pode ser de dois tipos [24]: (i) rotor em gaiola de esquilo;

e (ii) rotor bobinado. O rotor em gaiola de esquilo é composto por um conjunto de

barras de material condutor encaixadas em ranhuras no rotor e curto-circuitadas por

anéis metálicos nas extremidades. A simplicidade e robustez da construção em gaiola

de esquilo fazem deste motor o mais comummente utilizado (em comparação com o

motor de indução de rotor bobinado). A velocidade máxima de rotação atingida por

estes motores é superior à dos motores que usam escovas. Isto justifica-se pela não

existência de fricção entre as escovas e o rotor do motor. Relativamente ao rotor

bobinado, este é construído na forma de um enrolamento polifásico semelhante ao

estator tendo o mesmo número de polos. Os motores de indução de rotor bobinado

são pouco comuns, sendo utilizados apenas num número limitado de aplicações

especializadas.

Figura 12. Diagrama vetorial do motor de indução [23]


17


Aplicando uma tensão trifásica aos enrolamentos do estator, gera-se um campo

magnético girante que induz uma forca eletromotriz nos enrolamentos do rotor,

produzindo binário. Neste tipo de motor a velocidade de rotação do rotor difere da

velocidade do campo magnético girante do estator, verificando-se a existência de

escorregamento, dependente da carga aplicada ao motor [21].

No que se refere à eficiência dos motores de indução, verifica-se que para velocidades

elevadas esta é menor do que quando comparada com motores de ímanes

permanentes ou de relutância comutada. Esta menor eficiência deve-se aos seus 6

enrolamentos rotóricos e às suas perdas no cobre (para motor com rotor bobinado) ou

nas barras (para motor com rotor em gaiola de esquilo).

O motor de indução é muito utilizado em veículos elétricos, visto apresentar

construção simples, custo razoável, robustez, capacidade de operação em ambientes

adversos, e reduzida manutenção devido a ausência de escovas. Apresenta

igualmente a capacidade de gerar velocidades mais elevadas que os motores de

corrente continua, e sendo a potência no veio do motor proporcional ao produto do

binário pela velocidade de rotação, torna-se possível reduzir o peso e o tamanho,

recorrendo a uma adequada caixa de velocidades. No entanto, os custos inerentes ao

controlo dos motores de indução são bastante elevados e superiores aos associados

ao controlo dos motores DC. [19], [21].

Os motores AC de ímanes permanentes, de acordo com Nanda e Kar (2006), têm

competido com os motores de indução no que diz respeito à sua aplicação em

veículos elétricos. As características que fundamentam a vasta utilização são: (i) a

utilização de ímanes permanentes que diminui o peso e volume destes motores

(comparativamente a outros motores com a mesma potência) e, como consequência

um aumento da densidade de potência; (ii) eficiência elevada, pois no rotor as perdas

são baixas devido à inexistência de enrolamento; (iii) aumento de temperatura, que se

verifica apenas no estator; e (iv) baixa probabilidade de os ímanes permanentes

sofrerem danos mecânicos ou sobreaquecimento. A grande desvantagem associada

aos motores AC de ímanes permanentes está relacionada com a sua complexa

construção.

A configuração destes motores (motores AC de ímanes permanentes) é muito idêntica

à configuração dos motores DC de ímanes permanentes anteriormente descritos. A

diferença reside no facto de os motores AC de ímanes permanentes serem

alimentados por uma corrente sinusoidal e os motores DC de ímanes permanentes

são, normalmente, alimentados por uma corrente alternada retangular. [25]


18


A fiabilidade destes motores é elevada, pois a sua excitação não apresenta risco de

dano mecânico, defeitos ou sobreaquecimento. [26].

O motor de relutância comutado é considerado um tipo especial de motor síncrono

(motor que tem a sua rotação fixa sincronizada, ou seja, a rotação e a frequência

estão em sincronia), sendo a sua operação dependente da disponibilidade de

elementos de eletrónica de potência adequados. Neste motores o estator possui polos

salientes, em que os enrolamentos de cada polo são conectados em serie, com os

enrolamentos do polo oposto. O rotor é concebido de modo a fornecer um número de

polos salientes inferior ao do estator, não possuindo ímanes permanentes ou

enrolamentos [21]. Por esta razão é de fácil refrigeração.

A figura 13 representa uma das configurações típicas destes motores podendo haver

outras conforme as combinações de polos do estator e do rotor.

Figura 13.Sistema de acionamento de um motor de relutância comutada [28]

O motor é estimulado sincronamente, alimentando sequencialmente os pares de polos

opostos do estator usando um sensor de posição para controlar a alimentação. O par

de polos do rotor que estão mais próximos dos polos do estator, movimentam-se na

direção a estes, para que o circuito magnético maximize o fluxo magnético e diminua a

relutância. Quando este motor trabalha a velocidades abaixo da velocidade nominal

proporciona o máximo binário disponível, mas para velocidades superiores, a corrente

nos enrolamentos do estator não se mantem no seu máximo e o binário diminui com o

aumento da velocidade [21].

Este motor apresenta melhorias de fiabilidade, flexibilidade, volume, e potência por

unidade de peso devido à simplicidade do rotor e à eficácia do princípio de

funcionamento. Apresenta ainda como vantagens a simplicidade de construção

(apesar de design e controlo complicados), baixo custo de produção, característica


19


binário-velocidade ideal para aplicação em veículos elétricos e uma gama de potência

constante relativamente alargada [27]. No entanto, este motor possui ondulação no

binário a baixas velocidades, traduzindo-se em problemas de ruido [21].


20


Automóveis Híbridos

Contexto Histórico

O primeiro veículo Híbrido foi desenvolvido por Ferdinand Porsche em 1901. Porsche

projetou este motor acoplando um motor a gasolina e um gerador que carregava um

conjunto de baterias, criando assim um carro elétrico-hibrido [29].

Figura 14. Primeiro Carro Hibrido de Porsche [29]

Nos anos 1970, conjuntamente com os veículos elétricos, o interesse pelos veículos

híbridos reapareceu [13].

Como parte do Programa de Incentivo ao Carro Limpo, da Agência de Proteção

Ambiental Norte-Americana, em 1974 surgiu o primeiro híbrido moderno, construído

por Victor Wouk e Charlie Rosen. Este projeto, que transformava um Buick Skylark

1972 num híbrido nunca entrou em produção devido ao financiamento ao programa ter

sido suspenso [29].

Nos anos que se seguiram houve duas diferentes abordagens aos veículos híbridos.

Uma das correntes consistia em converter veículos já existentes em híbridos. A outra

em construir híbridos de raiz [29].

No fim dos anos 1980 a Audi construiu um carro com um motor de combustão interna

nas rodas dianteiras e um motor movido a baterias nas rodas traseiras [29].

Atualmente, sem dúvida que o nome mais sonante no que toca a veículos híbridos é o

Toyota Prius, produzido em série e recordista de vendas no setor. Este automóvel foi

oficialmente lançado em 1997 [30].


21



O princípio de funcionamento dos veículos híbridos baseia-se na integração de duas

fontes de energia num único veículo, combinando um veículo de combustão interna

com um veículo de motor elétrico [31].

Os híbridos utilizam um motor de combustão interna e um motor elétrico, de forma a

aumentar a autonomia e a eficiência do veículo. A componente elétrica do veículo

pode funcionar de duas formas: como gerador e como motor. Como gerador nas

travagens regenerativas (as rodas passam a fornecer energia ao motor elétrico, que

funciona como gerador, fornecendo energia às baterias ao travar ou em descidas) ou

quando há produção excessiva de energia no motor de combustão interna. Como

motor a baixas velocidades quando o rendimento do motor de combustão interna é

reduzido [32].

Existem quatro grandes tipos de arquiteturas de veículos híbridos: série, paralelo,

série-paralelo e complexa.

Na arquitetura em série, a energia mecânica do motor de combustão interna é

convertida em energia elétrica por um gerador. Esta energia é posteriormente utilizada

para a propulsão através do motor, que está ligado mecanicamente à transmissão, ou

para carregar a bateria. São necessários três sistemas de propulsão: o gerador, o

motor elétrico e o motor de propulsão, tendo, assim, um menor rendimento. Esta

arquitetura traduz-se num veículo elétrico assistido por um motor de combustão

interna. Esta arquitetura é mais citadina por usar frequentemente a parte elétrica [32].

Na arquitetura em paralelo, os dois motores (elétrico e de combustão interna) estão

ligados à transmissão, simultaneamente. Por este motivo, a potência que faz mover os

veículos pode ser fornecida por ambos ou por cada um deles isoladamente. Esta

arquitetura tem vantagens relativamente à anterior como, por exemplo, o facto de

apenas ter dois sistemas de propulsão [32].

A arquitetura série paralelo, é a combinação das duas anteriores, necessitando de

um gerador relativamente à em paralelo e um veio mecânico relativamente à em série.

Esta arquitetura é, assim, mas complexa e, consecutivamente, mais dispendiosa [32].

A arquitetura complexa é semelhante à anterior, com a característica adicional de o

gerador se poder comportar como um motor.


22


Comparação entre veículos híbridos, com motor

elétrico, e de combustão interna

Autonomia

A autonomia é a distância que um veículo pode percorrer ou o tempo que consegue

permanecer em funcionamento sem reabastecer de combustível [33]

A autonomia depende não só do consumo, mas também do estado de preservação do

automóvel, o cuidado na sua condução, o fim para o qual é utilizado, o número de

pessoas e quantidade de peso que leva na mala, isto é, quanto maior a carga, maior

será o esforço do automóvel, e menor será a autonomia.

No caso dos motores a diesel, o consumo, em média, ronda os 3,6l/100km, e nos

motores a gasolina é, em média de 5,1l/100km. Isto faz com que a autonomia dos

veículos de combustão interna atuais, em média, com depósito cheio, ronde os 500km

e os 800km [34].

Os veículos híbridos, geralmente, têm um motor de combustão interna e um elétrico,

sendo que uma pequena bateria permite o funcionamento em modo puramente

elétrico a muito baixas velocidades e durante breves intervalos de tempo. O motor a

combustão liga-se para velocidades superiores e para carregar a bateria quando esta

fica muito descarregada. O motor elétrico fornece ainda potência adicional sempre que

é preciso uma aceleração superior [35]. Considerando isto, os veículos híbridos, em

termos de autonomia são bastante mais satisfatórios que os elétricos em termos de

autonomia, pois, além deste tem um motor de combustão interna. Os veículos híbridos

com baterias de maior capacidade, têm, tipicamente 40km de autonomia em modo

puramente elétrico, desde que não se ultrapasse os 50 km/h de velocidade. Esta

bateria é carregada, na maioria das vezes, ligando o veículo numa tomada elétrica,

para além da contribuição da travagem regenerativa. Adicionalmente, existe um motor

a combustão para ser usado quando o condutor necessita de fazer viagens mais

longas. Este motor pode estar ligado diretamente às rodas ou servir apenas como

gerador portátil, produzindo eletricidade a partir da gasolina ou diesel, para alimentar o

motor elétrico. Este veículo é movido, assim, apenas a eletricidade, embora possuindo

um mecanismo para aumentar a autonomia quando tal é necessário [35].

Sabe-se que a bateria é o principal obstáculo à comercialização dos veículos elétricos

em geral, no entanto, os avanços tecnológicos nesta área têm sido bastante


23


promissores com a tecnologia à base de Lítio. A falta de infraestruturas elétricas

públicas para efeitos de carregamento, também se revela como um problema, quando

se tem em conta a autonomia e o tempo de carregamento dos veículos elétricos. Já é

possível conceber veículos elétricos com o mesmo desempenho que os convencionais

em termos de aceleração e velocidade máxima e as baterias atuais já podem ser

usadas em veículos leves e se se limitar o uso a pequenas distâncias [32].


24


Impacto Ambiental

A evolução de veículos com motor de combustão interna, particularmente carros, foi

uma das maiores conquistas da tecnologia moderna.

A indústria automóvel e outras indústrias constituem a espinha dorsal da economia e

empregam a maior parte da população trabalhadora. No entanto, o grande número de

automóveis em uso em todo o mundo tem causou e continua a causar sérios

problemas para o meio ambiente e para a vida humana. A poluição do ar, aquecimento

global, e o rápido esgotamento dos recursos petrolíferos da Terra são agora

problemas de interesse primordial.

Nas últimas décadas, as atividades de pesquisa e desenvolvimento relacionadas com

o setor do transporte têm enfatizado o desenvolvimento de um transporte de alta

eficiência, seguro e limpo. Os veículos elétricos, veículos elétricos híbridos e veículos

de célula de combustível têm sido tipicamente propostos para substituir os veículos

convencionais no futuro próximo.

Os veículos com motores de combustão interna (ICE) são uma das principais fontes

de poluição urbana devido à queima de combustíveis fósseis. Os produtos da

combustão dos hidrocarbonetos dos combustíveis são dióxido de carbono (CO2), água

(H2O), óxido de azoto (NOx), monóxido de carbono (CO), e hidrocarbonetos por

queimar. O dióxido de carbono (CO2) é transformado pelas plantas (fotossíntese) em

oxigénio – essencial à vida - e alimento e acumulado nos oceanos sob a forma de

carbonatos. No entanto, estes processos naturais são limitados e não conseguem

assimilar todo o CO2 emitido resultando uma acumulação deste gás na atmosfera [11].

O aquecimento global resulta do efeito de estufa provocado pela elevada

concentração de CO2 e outros gases, tais como o metano (CH4) e o monóxido de

diazoto (N2O), na atmosfera. Estes gases, conhecidos como gases com efeito de

estufa (GEE) absorvem grande parte da radiação infravermelha (IV) emitida pela

Terra. Tal absorção de energia provoca a excitação das moléculas, como por exemplo

o CO2, gás com efeito de estufa com maior expressão, e no processo de desexcitação

emitem radiação IV que em parte é reemitida para a superfície terrestre contribuindo

para um aumento da temperatura da Terra. Como consequência surgem danos

ecológicos consideráveis nos ecossistemas e desastres naturais que afetam as

populações humanas. Os desastres naturais devido ao aumento do nível médio da


25


água do mar têm sido cada vez mais notórios, devido à extensão dos estragos

causados [11].

As alterações climáticas têm vindo a ganhar cada vez maior importância como questão

ambiental de relevo e alcance global. A Convenção Quadro das Nações Unidas para

as Alterações Climáticas, em 1992 e, como consequência, o Protocolo de Quioto, em

1997, teve como resultado o desenvolvimento de políticas de mitigação e de

adaptação às alterações climáticas. As decisões no que respeita quer à mitigação quer

à adaptação envolvem ações ou opções a todos os níveis da tomada de decisão,

desde o nível mais local e da comunidade ao nível internacional, envolvendo todos os

governos nacionais. [35].

Para reduzir as emissões de GEE em 80% abaixo dos níveis de 1990 até 2050,

exigida pelas Nações Unidas relativas às alterações climáticas, McKinsey & Company

postularam que os gases com efeito de estufa no setor dos transportes, na Europa,

têm de ser reduzidas em 95%, já que outros setores estão limitados na sua

capacidade de reduzir a emissão de gases de efeito estufa [36].

Nos Estados Unidos, em 2009, o setor dos veículos ligeiros (carros e camiões) foi

responsável pela emissão de 17,7% dos gases de efeito estufa. Para atingir a meta

acima fixada todo o setor dos transportes terá de reduzida as emissões de GEE em

83% relativamente a 2009, e as emissões resultantes do setor dos veículos ligeiros

terão de ser reduzidas em 83,1% abaixo dos níveis de 2009 [37].

A possível redução das emissões de GEE com veículos elétricos de bateria (BEVs)

depende de dois fatores; os gases com efeito de estufa gerados pelas centrais

elétricas que produzem energia para carregar as baterias, e o número de BEVs que

poderiam ser vendidos ao público. O primeiro fator pode ser avaliado através de

programas de computador que permitem analisar quantitativamente os gases gerados.

O segundo fator ainda não foi bem explorado [37].

A. Elgowainy et al. a partir do Argonne National Laboratory (ANL) avaliaram os gases

de efeito estufa e os consumos de combustível de uma grande variedade de veículos

alternativos, focando-se nos veículos elétricos híbridos. Eles concluíram que BEVs

geraria mais GEE do que veículo elétrico hibrido (VEH) a gasolina. Concluíram ainda

que os veículos elétricos híbridos geram mais GEE que os veículos de combustão

interna a gasolina [38].


26


A Agência Internacional de Energia (AIE) incluiu uma avaliação pelo Conselho

Empresarial Mundial para o Desenvolvimento Sustentável [39], referiram que os

veículos híbridos e os veículos elétricos com célula de combustível diminuem os GEE

no setor da mobilidade.

Para determinar o impacto da substituição de todos os veículos de pequeno porte por

veículos elétricos a bateria (BEVs), foram calculadas as emissões de GEE anual para

estes veículos. Um dado importante para este cálculo foi considerar que a energia

usada para carregar as baterias dos veículos elétricos, BEV e dos híbridos, resulta da

queima de combustíveis fósseis. A Agencia de Energia, nos Estados Unidos da

América, em 2010, estima que 70,3% de toda a eletricidade produzida resulta da

queima de combustíveis fósseis (46,2% de carvão e 23,1% de gás natural e óleo de

1,0%). Estima-se que os veículos elétricos a bateria (BEVs) até 2035 vão produzir

mais 33% a 35% de gases com efeito de estufa do que os veículos elétricos com

células de combustível a Hidrogénio, produzido a partir de gás natural. Note-se que o

veículo elétrico hibrido a gasolina também aumenta as emissões de gases com efeito

de estufa, em todos os períodos de tempo, de 5,8 e 9% comparando com o veículo

elétrico hibrido (VEH) movendo-se, exclusivamente, a gasolina [37].

Para reduzir substancialmente as emissões de GEE e a dependência do petróleo, no

setor dos transportes, será necessário um conjunto de medidas que tenham em conta

uma análise holística do problema tanto na conceção dos componentes que integram

os veículos como nas fontes de energia que são usadas para produzir energia elétrica,

como no tratamento que se faz aos resíduos quando os veículos já esgotaram o tempo

de vida útil. A substituição, por si só, dos veículos de combustão interna por veículos

elétricos ou veículos híbridos não resolve o problema. Se todos os veículos

convencionais fossem substituídos por BEVs ou por VEH aos GEE teriam uma

redução inferior a 25% e o consumo de petróleo inferior a 67% [37].

A redução dos GEE é urgente e exige a tomada de decisões assertivas por parte dos

políticos a nível mundial, onde se incluem incentivos financeiros para a investigação e

desenvolvimento de novas tecnologias que permitam minimizar ao máximo as

emissões destes gases para a atmosfera.


27


Custos

Por custo de um veículo deve entender-se não só o seu custo de aquisição como

também o custo do seu combustível e a relação com a autonomia. Por exemplo, um

combustível pode ser extremamente barato, mas se se tiver de reabastecer com

grande frequência, a longo prazo acaba por não compensar.

Um veículo automóvel com motor de combustão interna tem um preço médio inicial

que é significativamente menor do que um semelhante elétrico ou híbrido. Apesar de o

consumo médio de um carro variar consoante o contexto em que se encontra (por

exemplo se se analisa um contexto citadino ou de estrada), o tipo de carro e o modo

de condução do condutor, podemos situar o consumo médio em 7,0 L/100km [32]

.Os veículos híbridos têm um preço de aquisição próximo dos elétricos, sendo que

consome, em média, cerca de 4,5 L a cada 100 km [23].

Os veículos elétricos têm custos pouco elevados em circulação, porém, o seu preço de

aquisição é bastante mais elevado quando comparados com os automóveis

convencionais. Não os tornando uma alternativa para qualquer individuo mas apenas

para quem pode despender um pouco mais num veículo [32].

Pode-se então concluir que neste ponto o mais vantajoso será o veículo de combustão

interna, com um custo de aquisição mais baixo que os elétricos e, de preferência a

gasóleo, porque apesar de mais caro em relação a um automóvel equivalente a

gasolina, a longo prazo acaba por compensar pois a diferença de preços entre estes

dois combustíveis é significativa, sendo o gasóleo mais barato.


28


Conclusão

Com a realização deste trabalho pretende-se informar os consumidores das diversas

opções que têm aquando da compra de um veículo motorizado, revelando uma breve

comparação entre algumas alternativas de motores que existem. Nesta comparação

faz-se referência aos principais custos de um automóvel, dando a conhecer aos

possíveis compradores dados suficientes para fazerem uma escolha adequada à sua

situação pessoal.

Conclui-se, assim, que dentro dos três géneros de automóveis abordados, a escolha

não será tão simples como se poderia pensar.

Os veículos elétricos têm preços extremamente proibitivos e a sua autonomia não

satisfaz o consumidor comum. Tendo em conta o seu tempo de carregamento e os

locais onde se poderá carregar a bateria durante uma viagem longa, conclui-se que

será impossível percorrer longas distâncias de uma forma cómoda neste tipo de

veículo. Pode, então, ser usado num meio citadino, no dia-a-dia, para curtas

distâncias. O veículo de combustão interna liberta intensivamente gases com efeito de

estufa, sendo insustentável para o planeta todas a população optar por este género de

transporte. O veículo híbrido será talvez a melhor opção por ser pouco poluente dentro

de localidades, no modo elétrico, e mais confortável para longas distâncias por a sua

autonomia ser maior (devido ao motor de combustão interna).


29


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