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DETERMINAÇÃO DA EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO

ENERGÉTICA DO SISTEMA DE PROPULSÃO DE UM VEÍCULO A

PARTIR DE TESTES DE ESTRADA

Manuel Gameiro da Silva1, Mohammadhossein Ghodsirad1, João Teixeira1, Luis Serrano1,2,Ana

Cristina Campos3, Paulo Breda3

(1)ADAI, LAETA Department of Mechanical Engineering, University of Coimbra,

(2)School of Technology and Management – Polytechnic Institute of Leiria, Leiria

(3)Galp Energia, Lisboa, Portugal

Sumário

A determinação da eficiência de conversão de energia do sistema de propulsão de um veículo pode ser baseada

em testes de estrada em condições reais de operação; em ensaios em banco de rolos ou em ensaios de motores

em bancos dinamométricos. Neste artigo, é descrita uma metodologia desenvolvida para permitir a medição do

desempenho de conversão de energia do sistema de propulsão de um veículo, através da utilização conjunta dos

dados recolhidos em ensaios de estrada e de um modelo de simulação que calcula as várias componentes do

balanço de forças durante o movimento.

Palavras-chave: Eficiência de Conversão Energética/ Ensaios em Estrada / Medição de Consumo.

1 INTRODUÇÃO

A determinação da eficiência de conversão energética do sistema de propulsão de um veículo pode ser

baseada em testes de estrada em condições reais de operação; em ensaios em banco de rolos em que o veículo é

submetido a um dado ciclo de carga; e, finalmente, em ensaios de motores em bancos dinamométricos, em que o

objeto de teste é o próprio motor, sendo as condições de ensaio definidas a partir de uma sequência de passos

impostos pelas condições de operação de um freio.

Apesar de ser o método em que as condições reais de utilização são reproduzidas com maior facilidade,

os testes de estrada, devido à maior incerteza que lhe está associada, têm sido muitas vezes substituídos em testes

padronizados ou em processos de investigação pelas duas outras metodologias. Assim, há alguma escassez, na

literatura científica recente [1], [2], de trabalhos sobre a análise de energia com base no uso de testes de estrada

realizados com veículos movidos a motores de combustão interna.

No entanto, o potencial dos atuais sistemas de medição e aquisição de dados, que permitem a monitorização

simultânea de um grande número de parâmetros com elevada resolução temporal, pode melhorar claramente a

qualidade de avaliações realizadas a partir de ensaios de estrada. Usando os dados medidos do consumo de

combustível e das principais grandezas relacionadas com o deslocamento do veículo, é possível fazer a correções

das influências dos principais fatores perturbadores e melhorar claramente a qualidade das avaliações.

Assim, a taxa de consumo de combustível pode ser continuamente medida e registada durante o deslocamento do

veículo, enquanto que, com os dados da trajetória, a energia necessária para assegurar o deslocamento pode ser

calculada com um modelo de simulação. Integrando ao longo do tempo os valores da potência média em cada

intervalo de tempo, é calculada a energia total necessária para assegurar o deslocamento do veículo, enquanto

que integrando simultaneamente a taxa de combustível ao longo do tempo de duração da viagem, o consumo

total de combustível é calculado. O quociente entre a energia teoricamente necessária e a energia efetivamente

gasta dá a eficiência de conversão do sistema de propulsão do veículo.

No presente artigo, a metodologia anteriormente descrita foi aplicada, sendo complementarmente utilizado um

esquema de correção do efeito perturbador do vento atmosférico.

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gravinercaerodrolmot FFRRF

sin2

1)(cos

22

10 gMaMvACvKKgMF airxgrmot

2 METODOLOGIA

O consumo de combustível num motor é, em cada momento, função dos dois parâmetros utilizados para definir a

sua situação de funcionamento, i.e. a velocidade de rotação e o binário resistente que o mesmo tem de vencer.

No caso em que o motor está montado num veículo a circular em estrada, o binário resistente é aplicado ao veio

do motor através do sistema de transmissão e resulta da força que as rodas propulsoras transmitem ao solo para

garantir o movimento, que é dada pela seguinte equação:

[1]

na qual Fmot é a força motriz, Rrol representa a resistência de rolamento, Raero a resistência aerodinâmica, Finerc as

forças inerciais (que correspondem a uma resistência nos momentos de aceleração e que ajudam a garantir o

movimento nos momentos de desaceleração) e Fgrav as forças gravitacionais que representam uma resistência ao

avanço nas subidas e ajudam ao movimento nas descidas. Na equação seguinte cada um dos termos do segundo

membro da equação anterior é substituído pela sua expressão analítica:

[2]

em que:

M – A massa do veículo [kg]

– O ângulo de declive da estrada [º]

K0 – O coeficiente de atrito estático

K1 – O coeficiente de atrito dinâmico

vgr – A velocidade do veículo em relação ao solo [m/s]

Cx – O coeficiente de resistência aerodinâmica

– A massa específica do ar [kg/m3]

A – A área frontal do veículo [m2]

vair – A velocidade do veículo em relação ao ar [m/s]

a – A aceleração do veículo [m/s2]

A partir dos termos do segundo membro da equação anterior é possível calcular, em cada instante, com base nas

informações recolhidas por um sistema de monitorização que forneça os dados correspondentes ao deslocamento

do veículo em estrada e de alguns dados relativos ao veículo de testes (massa total, coeficiente de resistência

aerodinâmica, área frontal e coeficientes de atrito dos pneus), as várias componentes de força que somadas

permitem obter a força motriz total exercida em cada momento pelas rodas do veículo. A massa total do veículo,

o coeficiente de resistência aerodinâmica e a área frontal do veículo estão disponíveis a partir de informação

comunicada pelos fabricantes, quer nos catálogos, quer em outras informações técnicas disponíveis. Os

coeficientes de atrito K0 e K1 podem ser obtidos a partir das informações técnicas de fabricantes de pneumáticos

ou, em alternativa, determinados a partir de ensaios de desaceleração feitos em troços de estrada retos e de

inclinação praticamente nula, desde que sejam conhecidos os valores da massa do veículo, da sua área frontal e

do coeficiente de resistência aerodinâmica.

Como referido anteriormente, a soma dos valores do segundo membro da equação 2, permite obter os valores da

força motriz que em cada momento seria precisa para manter o veículo em movimento. Se, para um dado

intervalo de tempo, correspondente ao percurso de um dado troço de estrada, multiplicarmos essa força pelo

deslocamento, teremos a energia que seria necessária para assegurar o movimento do veículo. Por outro lado, se

o consumo de combustível do veículo for monitorizado através de um sistema de medição e aquisição de dados

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que permita uma elevada frequência de amostragem temporal (tipicamente da ordem de 1 a 10 Hz), será

possível, uma vez multiplicado o volume de combustível num dado intervalo de tempo pelo seu poder calorífico

inferior, ter a evolução temporal da quantidade de energia efetivamente gasta para assegurar o deslocamento do

veículo. A eficiência de conversão energética do sistema constituído pelo motor e pela transmissão do veículo é

assim obtida a partir do quociente entre a energia teórica necessária para assegurar o movimento e a energia

efetivamente despendida.

3 MONTAGEM EXPERIMENTAL

O sistema de medição e aquisição de dados projetado e posteriormente montado a bordo do veículo foi

concebido com o objetivo de permitir a amostragem com uma elevada frequência dos valores do consumo de

combustível, bem como de todos os outros parâmetros que podem afetar essa grandeza. Assim, considerou-se

fundamental recolher:

- Os dados necessários para a completa definição dos trajetos percorridos, para o que é necessária a evolução

temporal dos valores das coordenadas geográficas (latitude, longitude e altitude) e da velocidade de

deslocamento do veículo;

- As informações disponíveis na unidade de processamento central do motor do veículo, comummente designada

como centralina, sobre o funcionamento do mesmo;

- Os dados necessários para avaliar a perturbação induzida nas necessidades de potência do veículo pela

ocorrência de vento durante o trajeto.

O sistema montado encontra-se representado esquematicamente na Figura 1. Pode-se considerar dividido em

dois blocos, conforme o equipamento de registo usado para a gravação dos dados.

G: Vbox GPS Data Logger

E: GPS Antenna

C: OBD 2 Plug

D: Dash DynoData Logger

B: PressureTransducers

P din

P 1 - P 2

P 1

P 2

P 0

Can Bus (Fuel Rate Data)

F: Kystler On-Board Fuel Consumption Meter

A: Pressure Taps

Fig.1. Representação esquemática do sistema de medição montado no veículo

O Bloco 1 é constituído pelos equipamentos referenciados no esquema como:

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- A: conjunto de tomadas de pressão P0, P1 e P2; - B: transdutores elétricos piezoresistivos de pressão Omega,

com uma gama de medição de ±2000 Pa;- C: ficha OBD 2 (“On-Board Diagnostics”); - D:Registador de dados

Auterra Dash-Dyno.

Na figura 2 apresenta-se uma representação mais detalhada dos vários componentes que constituem o Bloco 1 do

sistema de medição instalado no veículo. Na tabela 1 apresenta-se a lista de parâmetros selecionados para serem

registados durante os ensaios de estrada no registador do Bloco 1.

A: Pressure Taps

B: Piezoresistive Pressure Sensors

D: Dash-Dyno DataLogger

C : OBD II Plug

Fig.2. Representação dos componentes do Bloco 1 do sistema de medição montado no veículo

Tabela 1 – Lista dos parâmetros registados no Dash Dyno Data Logger

Canal Parâmetro Canal Parâmetro

1 Posição de acelerador 9 Temperatura de ar de admissão

2 Carga Calculada 10 Temperatura de fluido de refrigeração

3 Entrada Analógica 2 - Pdinâmica 11 Pressão na linha de combustível

4 Fluxo de combustível - Analógico 12 Pressão de ar de admissão

5 Fluxo de ar de admissão MAP 13 Pressão no coletor de admissão

6 Fluxo de ar de admissão MAF 14 Velocidade de rotação do motor RPM

7 Entrada Analógica 3 - Pdif 15 Velocidade do veículo

8 Pressão do turbo-compressor 16 Fluxo de combustível (calculado)

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A Figura 3 representa os equipamentos e as ligações do Bloco 2, com mais detalhes. A antena GPS está ligada ao

sistema de aquisição da unidade de processamento de dados através de um cabo elétrico que transmite sinais

analógicos em tensão, enquanto o sistema de medição do combustível usa um cabo multi-fios que transmite um

sinal digital codificado de acordo com o protocolo de comunicação CAN-Bus correspondente ao consumo de

combustível medido durante um determinado intervalo de tempo (0,1 segundo).

O sistema Kistler-Datron DFL 3 x 5 bar é utilizado para a medição consumo de combustível do motor do veículo

em tempo real. O princípio de funcionamento é baseado numa bomba de deslocamento positivo. Quatro pistões

são utilizados para manter constante o nível de líquido num reservatório intermédio que é interposto no circuito

de alimentação de combustível. O consumo instantâneo de combustível é determinado a partir da velocidade de

rotação da bomba de deslocamento positivo, a partir da frequência de uma série de impulsos gerados por

sensores de efeito de Hall. A resolução volumétrica do sistema é 0,033 ml / impulso, que corresponde a uma

resolução de 1,19 l / h, no caso de o período de integração de 0,1 s. O sistema foi instalado no compartimento de

bagagem do veículo (ver Figura 3), dado este foi considerado o local mais racional para não ocupar espaço na

cabine e pela facilidade de acesso ao circuito do combustível, uma vez que a bomba do circuito normal está

colocada sob o assento traseiro direito.

Dado que o equipamento de medição do consumo de combustível não tem capacidade para armazenar as

informações, foi decidido comunicar a mesma através da interface CAN-Bus disponível na sua unidade de

processamento ao sistema de registro de dados GPS (VB2SX10 Racelogic), que regista também os dados da

trajetória do veículo, após o processamento do sinal de GPS adquirido com uma frequência de 10 Hz. Os dados

de GPS consistem na informação sobre o instante temporal, as coordenadas geográficas (latitude, longitude e

altitude) e a velocidade de deslocação do veículo.

.

Fig. 3 – Representação dos equipamentos do Bloco 2 do sistema de aquisição de dados montado no veículo

4 RESULTADOS

Após a verificação da qualidade metrológica dos dados recolhidos pelos sistemas utilizados para medir a

velocidade de deslocamento do veículo e o consumo de combustível, foi realizado um conjunto de testes de

estrada para comparar formulações diferentes de combustíveis. Foram selecionados dois trajetos diferentes de

viagem com o objetivo de assegurar uma boa diversidade de condições em termos da gama dos valores de carga

do motor. Para reduzir o número de fatores de perturbação, as viagens foram feitas a uma velocidade constante

de 120 km/h, com o sistema de controlo automático de velocidade ativado e a caixa de velocidades na sexta

relação.

Um dos ensaios foi realizado nas autoestradas A1, A25 e A62 entre Coimbra e Salamanca. O percurso é

mostrado na Figura 4, onde os dados recolhidos pelo gravador GPS Racelogic VB2SX10 são representados na

plataforma Google Earth. Além de rota (linha vermelha) do ensaio, que corresponde à evolução dos dados de

latitude e longitude, o perfil de altitude medido pelo sistema ao longo do trajeto está também representado. O

ponto de partida na cidade de Coimbra corresponde ao lado esquerdo do perfil de altitude no gráfico, enquanto a

altitude máxima de 842 m corresponde ao distrito de Salamanca, no lado direito do perfil de altitude.

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Fig. 4 – Rota e perfil de altitude de um ensaio de estrada realizado entre Coimbra e Salamanca

Fig 5 – Evoluções temporais das velocidades do veículo em relação ao solo e em relação ao ar

Na Figura 5 representa-se a velocidade de deslocamento medida pelo sistema GPS e a velocidade relativa entre o

veículo e o ar calculada a partir dos valores da pressão dinâmica medida na frente do veículo. Desde o início da

contagem, até cerca de 10 minutos, os desenvolvimentos de velocidade correspondem ao caminho do veículo a

partir do interior da cidade de Coimbra para a portagem de Coimbra Norte- na autoestrada A1. Do minuto 10 ao 40,

uma velocidade nominal constante de 120 km/h é mantida na rota até a saída da A1 para a A25, altura em que a

direção do deslocamento na figura 4 se altera de Norte-Sul para Oeste-Este.

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A velocidade constante de 120 km/h foi mantida até ao minuto 77, onde a diminuição observada se deveu à

existência de uma zona com radar, onde a velocidade máxima de circulação permitida é de 80 km / h. A partir do

minuto 77 até ao 130, manteve-se uma velocidade estabilizada de 120 km/h, tendo ocorrido uma perda de sinal

GPS por volta do minuto 117. A alteração de velocidade entre os 125 e 130 minutos, deveu-se à zona de fronteira

entre Portugal e Espanha. Entre os 132 e 187 minutos, a velocidade constante de 120 km/h foi mantida até à saída

de autoestrada para Salamanca. Analisando em conjunto as evoluções temporais das duas velocidades indicadas na

figura 5, é possível concluir que, na maior parte do tempo, o deslocamento foi feito com vento de cauda, uma vez

que a velocidade relativamente ao ar é consistentemente mais baixa do que a velocidade do carro relativamente ao

solo. Tipicamente, a velocidade relativamente ao ar foi cerca de 10 km/h menor do que a velocidade relativamente

ao solo.

Na figura 6, são mostradas as evoluções temporais das quatro componentes de força associadas ao deslocamento do

veículo. As evoluções apresentadas foram calculadas usando os termos incluídos no segundo membro da equação 2

e os dados recolhidos pelo sistema de aquisição de dados instalado no veículo. Os valores são apresentados em

pontos separados por intervalos de 10 segundos. Assumiu-se que o trajeto entre dois pontos consecutivos foi linear

e com declive constante. O valor de deslocamento foi calculado multiplicando a velocidade média entre dois pontos

consecutivos pela duração do intervalo de tempo, enquanto o ângulo de inclinação foi determinado como o arco

cuja seno é o quociente entre diferença de altitudes entre dois pontos consecutivos e o deslocamento linear entre os

mesmos.

Para o cálculo da resistência aerodinâmica, foram usados os valores de catálogo do fabricante Cd = 0,29, para o

coeficiente de resistência aerodinâmica, e a área frontal projetada A = 2,23 m2. A massa do carro nas condições de

ensaios foi medida tendo sido obtido um valor de 1720 kg. Os coeficientes de atrito K0 e K1 usados no cálculo da

resistência foram determinados através do processamento de dados de ensaios de desaceleração.

Fig. 6 – Evoluções temporais das quatro componentes de força durante o ensaio de estrada

Na figura 6, a resistência aerodinâmica, representada pela linha a traço cheio cinzento claro, varia entre 250 e

440 N, enquanto a resistência de rolamento, representada pela linha preta tracejada é bastante constante,

tipicamente de 175 N, ao longo de todo o curso, uma vez que a velocidade é constante e o efeito das alterações

de inclinação é muito fraca na resistência ao rolamento. As forças de inércia, representadas por uma linha preta a

traço cheio, apresentaram valores absolutos muito baixos, oscilando em torno de zero, sendo as flutuações

devidas às respostas do sistema de controlo da velocidade de cruzeiro em função das mudanças da carga do

motor. A linha a tracejado cinzento claro representa a evolução das forças gravitacionais que tiveram alterações

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muito fortes, com a sua amplitude variando tipicamente entre -1400 e 1400 N, devido aos efeitos da inclinação

da estrada durante a viagem.

A evolução da soma das quatro componentes da força é representada na figura 7, juntamente com a evolução do

consumo de combustível em litros/100 km. O nível médio da força total, que é cerca de 590 N, é principalmente

garantido pela soma das resistências aerodinâmicas e de rolamento, enquanto as suas variações são devidas

principalmente a alterações na força gravitacional, com um efeito quase negligenciável das variações da força de

inércia. O valor máximo da força total 1923 N ocorreu cerca do minuto 47 quando o veículo estava a subir uma

das zonas de maior declive, correspondendo a uma potência máxima de tração de 64,1 kW nas rodas de carro.

Fig. 7 – Evoluções temporais da força total calculada e do consumo de combustível medido

É patente uma muito boa correlação entre os valores da força total calculada e o consumo de combustível

medido, sendo muito semelhantes os padrões das evoluções temporais das duas quantidades. É também

facilmente identificada uma alteração da natureza dos dois sinais após o minuto 140, quando diminui a

ocorrência de declives mais pronunciados no terreno.

Na figura 10, o consumo de combustível em litros/100 km é representado como uma função da força motriz

média ao longo de intervalos com uma duração de 10 segundos, nas fases em que o sistema de controlo da

velocidade de cruzeiro estava ativo. Uma vez que a velocidade do carro foi mantida quase constante (a

velocidade média foi de 120,2 km / h, com um desvio padrão de 0,39 km/h) e a caixa de engrenagens foi mantida

sempre em sexta, a velocidade de rotação do motor de carro pode também ser considerada praticamente

constante. Assim, a linha de tendência utilizada para ajustar os pontos experimentais de dados da figura 10, é

como um corte no mapa de consumo específico do motor, em que a carga é crescente e a velocidade de rotação

do motor foi mantida constante.

Os valores reais de consumo de energia foram obtidos multiplicando o volume medido do combustível

consumido em cada intervalo de tempo pelo poder calorífico inferior do gasóleo (35,9 MJ / litro). As

necessidades de energia para os mesmos intervalos foram calculadas multiplicando-se o valor de potência média

calculada pela duração do intervalo de tempo. Para o período total analisado, correspondente a um trajeto de

328 km percorridos com o sistema de controlo de velocidade de cruzeiro ativado, os valores acumulados de

energia são, respetivamente, 192,5 MJ, para a energia teórica requerida, e 769,8 MJ, para o consumo real de

energia, o que significa um valor de eficiência de conversão energética de 25,01%. Este valor é confirmado

através da análise visual da Figura 9 onde é patente uma relação da ordem de 4 para 1, entre as duas evoluções

representadas. Em termos do indicador de energia por quilómetro percorrido, os valores são 2,35 MJ / km, para o

consumo real de energia e de 0,59 MJ /, km, para as necessidades teóricas de energia.

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Fig. 8 – Consumo de combustível medido em função da força motriz calculada e histograma dos dados de

consumo

Figure 9 – Evoluções temporais dos consumos de energia (real e requerida) em intervalos de 10 s

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5 CONCLUSÕES

Uma nova metodologia para realizar testes de estrada com veículos equipados com motores de combustão

interna foi desenvolvida. A metodologia é baseada no acoplamento dos dados resultantes do sistema de aquisição

instalado a bordo com os cálculos efetuados com recurso a um modelo simplificado do balanço de forças durante

o movimento do veículo, a fim de obter a eficiência de conversão de energia do sistema de propulsão do carro.

Os resultados obtidos no conjunto de testes realizados com condições meteorológicas estáveis indicam um bom

nível de precisão do sistema.

O sistema de aquisição de dados e de análise e a metodologia de cálculo foram testados num ensaio de estrada

com a duração de 3 horas, a uma velocidade do veículo constante de 120 km / h. As correlações entre as

medições dos consumos de combustível e as potências necessárias para garantir o deslocamento do veículo ao

longo de cada troço elementar do percurso são muito elevadas, o que demonstra o potencial de utilização do

método apresentado para calcular a eficiência de conversão de energia do sistema de propulsão do carro ao longo

de uma viagem.

Novos desenvolvimentos estão previstos para melhorar a metodologia descrita, nomeadamente através da

correção do efeito de alguns fatores perturbadores, como, por exemplo, os parâmetros ambientais, como a

altitude, pressão barométrica e temperatura do ar, as alterações na resistência ao rolamento devido a situações de

curva e a correção da massa do veículo, em testes de longa duração, devido ao consumo de combustível.

6 REFERÊNCIAS

1. L. Serrano, V. Carreira, R. Câmara and M. G. d. Silva, "On-road performance comparison of two identical

cars consuming petrodiesel and biodiesel," Fuel Processing Technology, p. 9, 2011.

2. M. Ghodsirad, J. Teixeira, P. Breda, C. Campos, L. Serrano and M. Gameiro da Silva, "A Methodology to

Evaluate the Performance and Consumption of Vehicles in Comparative On-Road Tests," in FISITA World

Automotive Congress, 2-6 June, Maastricht, 2014.