ANÁLISE DAS EFICIÊNCIAS VOLUMÉTRICA, GLOBAL, MECÂNICA E
TÉRMICA DE UM VEÍCULO FLEX OPERANDO COM ETANOL HIDRATADO E
GASOLINA EM DIFERENTES SITUAÇÕES DE CARGA
Arthur Cavalcanti de Albuquerque Fonseca Candido
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos
requisitos necessários à obtenção do título de
Engenheiro.
Orientadores: Prof. Sílvio Carlos Aníbal de Almeida
Eng. Antônio Carlos Scardini Villela
Rio de Janeiro
Abril de 2016
iii
Candido, Arthur Cavalcanti de Albuquerque Fonseca
Análise das eficiências volumétrica, global, mecânica e
térmica de um veículo Flex operando com etanol hidratado e
gasolina em diferentes situações de carga / Arthur Cavalcanti
de Albuquerque Fonseca Candido. – Rio de Janeiro: UFRJ/
Escola Politécnica, 2016.
XII, 108 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida; Anônio Carlos
Scardini Villela
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Mecânica, 2016.
Referencias Bibliográficas: p. 79-84.
1. Motores de Combustão Interna. 2. Veículo Flex. 3. Etanol
Hidratado. 4. Gasolina. 5. Eficiências. I. Almeida, Silvio
Carlos Anibal de, Villela, Antônio Carlos Scardini. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Curso de Engenharia Mecânica. III. Análise das eficiências
volumétrica, térmica, mecânica e global de um veículo Flex
operando com etanol hidratado e gasolina em diferentes
situações de carga.
iv
“We meet at a college noted for knowledge, in a city noted
for progress, in a state noted for strength, and we stand in
need of all three, for we meet in an hour of change and
challenge, in a decade of hope and fear, in an age of both
knowledge and ignorance. The greater our knowledge
increases, the greater our ignorance unfolds.”
John F. Kennedy
v
Agradecimentos
Aos meus pais, Sergio e Mônica Candido. Poderia mencionar muitos aspectos
pelos quais os admiro, mas, durante esse trabalho, percebi um especialmente importante:
eles sempre acreditam na capacidade dos filhos, apoiando incondicionalmente.
À Petrobras S.A., representada pelos engenheiros Marcílio Carvalho e Tadeu
Melo. A oportunidade de realizar o estágio no Centro de Pesquisas (CENPES), gerência
de Desempenho de Produtos em Motores (DPM) redobrou o meu interesse na engenharia
mecânica, além de ter sido uma oportunidade ímpar de aprendizado acadêmico,
profissional e networking. A compreensão do meu supervisor Tadeu Melo em permitir o
meu temporário afastamento das atividades de estágio durante a parte final da realização
desse trabalho foi fundamental para a sua conclusão.
Ao meu orientador, Silvio de Almeida. O seu empenho e detalhe nas correções
elevou o nível acadêmico desse trabalho acima do que eu poderia alcançar sozinho. Foi
também fundamental para me manter focado no prazo de conclusão, nunca duvidando do
meu sucesso.
Ao meu co-orientador, engenheiro Antônio Villela, de quem surgiu a ideia inicial
para este trabalho. Além disso, desde o princípio do meu estágio me tratou de maneira
profissional, tirando todas as dúvidas e ensinando sobre o dia-a-dia do ambiente de
trabalho.
Ao engenheiro Sergio Botero e ao técnico Daniel Libório pela ajuda na realização
do experimento.
A todos os funcionários da gerência de Desempenho de Produtos em Motores do
CENPES, que fizeram o meu dia-a-dia no estágio uma experiência prazerosa e divertida
pela companhia.
Ao professor do Departamento de Engenharia Mecânica da UFRJ Daniel Castello,
por primeiro me conceder uma oportunidade no meio acadêmico. Levarei o gosto pela
estatística e os demais ensinamentos aprendidos durante a iniciação científica para toda a
minha carreira profissional.
Ao meu irmão, César Albuquerque, ao meu primo, Leandro Barros. Grande parte
do que eu sou hoje é fruto da sua convivência.
Por fim, agradeço à influência e presença constante da minha avó, Marlene de
Moura Cavalcanti de Albuquerque. O seu único sonho era ver os três netos formados.
Como sou o caçula, a conclusão deste trabalho é literalmente o último passo para a
realização do seu sonho, vó. Descanse em paz.
vi
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos
requisitos necessários à obtenção do Grau de Engenheiro Mecânico.
ANÁLISE DAS EFICIÊNCIAS VOLUMÉTRICA, GLOBAL, MECÂNICA E
TÉRMICA DE UM VEÍCULO FLEX OPERANDO COM ETANOL HIDRATADO E
GASOLINA EM DIFERENTES SITUAÇÕES DE CARGA
Arthur Cavalcanti de Albuquerque Fonseca Candido
Abril/2016
Orientadores: Silvio Carlos Anibal de Almeida
Antonio Carlos Scardini Villela
Curso: Engenharia Mecânica
Em dezembro de 2012 havia no Brasil 50,6 milhões de veículos leves (DENATRAN,
2012). Essa enorme frota consumiu em 2012 mais de 31 bilhões de litros de gasolina e 19
bilhões de litros de etanol, e liberou mais de 96 milhões de toneladas de CO2 (BRASIL –
MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE, 2014). Em 2012 o governo federal criou o
Programa Inovar-Auto (BRASIL – GOVERNO FEDERAL, 2012), que promove um
abatimento dos impostos dos veículos que reduzirem o seu consumo energético. Para
tanto, é necessário conhecer as suas ineficiências, isto é, onde a energia química dos
combustíveis está sendo perdida. Assim, testes com um veículo leve equipado com um
motor multicombustível do ciclo Otto (Otto Flex) com etanol e gasolina foram realizados.
Foram testadas diferentes condições de carga do motor e velocidade do veículo,
representativas do seu uso típico. Foram analisadas as influências das condições
operativas nos resultados das eficiências volumétrica, global, mecânica e térmica do
veículo. Foi observado que o aumento da carga do motor leva a um aumento das
eficiências volumétrica, global e mecânica, mas a uma diminuição da eficiência térmica.
Nas condições de testes e veículo utilizado, foi observado que a gasolina apresentou uma
tendência de leve aumento na eficiência volumétrica, enquanto o etanol promoveu
melhores resultados de eficiências global, mecânica e térmica. A velocidade de 60 km/h
resultou no melhor resultado de eficiência volumétrica, pois ela corresponde a uma
rotação próxima da rotação de torque máximo do motor.
Palavras-chave: Motores de Combustão Interna, Veículo Flex, Etanol Hidratado,
Gasolina, Eficiências
vii
Abstract of undergraduate project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Mechanical Engineer.
ANALYSIS OF THE VOLUMETRIC, GLOBAL, MECHANICAL AND THERMAL
EFFICIENCIES OF A FLEX VEHICLE OPERATING WITH HYDROUS ETHANOL
AND GASOLINE UNDER DIFFERENT LOAD CONDITIONS
Arthur Cavalcanti de Albuquerque Fonseca Candido
April/2016
Advisors: Silvio Carlos Anibal de Almeida
Antonio Carlos Scardini Villela
Course: Mechanical Engineering
In December 2012, there were 50.6 million light-duty vehicles in Brazil (DENATRAN,
2012). This huge fleet consumed 31 billion liters of gasoline and 19 billion liters of
ethanol in 2012, and launched 96 million tons of CO2 to the atmosphere CO2 (BRASIL
– MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE, 2014). In 2012 the federal government created
the Inovar-Auto program (BRASIL – GOVERNO FEDERAL, 2012), which will give tax
breaks to OEM’s that decrease the energetic consumption of their vehicles. In order to do
so, it is necessary to know the vehicle's inefficiencies, that is, where the chemical energy
from the fuel is being lost. To achieve this goal, tests with a light-duty vehicle equipped
with a multi-fuel, Otto-cycle engine (Otto Flex) running with ethanol and gasoline were
done. Different conditions of engine load and vehicle speed, representative of typical
daily use, were tested. The influence of the different operating conditions on the vehicle's
volumetric, global, mechanic and thermal efficiencies were analyzed. An increase in
engine load led to a slight increase in the volumetric, global and mechanic efficiencies,
and to a decrease in the thermal efficiency. Furthermore, in the test conditions and vehicle
analyzed, gasoline showed a tendency to increase volumetric efficiency, while ethanol
showed a tendency to increase the results for global, mechanic and thermal efficiencies.
60 km/h was the speed that showed the best volumetric efficiency result, since it
corresponds to an engine speed close to the engine's maximum torque speed.
Keywords; Internal Combustion Engines, Flex-fuel Vehicles, Hydrated Ethanol,
Gasoline, Efficiencies.
viii
Sumário
Capítulo 1: Introdução ....................................................................................... 1
1.1 Histórico .......................................................................................... 1
1.2 Motivação ........................................................................................ 2
1.3 Objetivos .......................................................................................... 2
1.4 Organização do trabalho ................................................................... 3
Capítulo 2: Revisão Bibliográfica ...................................................................... 4
Capítulo 3: Análise Teórica ............................................................................... 8
3.1 O ciclo Otto padrão-ar (teórico) ........................................................ 9
3.2 Funcionamento de um motor Otto 4 tempos real............................. 11
3.3 Desvios do motor real em relação ao teórico................................... 17
3.3.1 Eficiência volumétrica ........................................................... 17
3.3.2 Eficiência global .................................................................... 19
3.3.3 Eficiência mecânica ............................................................... 20
3.3.4 Eficiência térmica .................................................................. 24
Capítulo 4: Procedimento Experimental ........................................................... 28
4.1 Veículo .......................................................................................... 28
4.2 Combustíveis ................................................................................. 29
4.3 Bancada experimental .................................................................... 30
4.4 Descrição dos equipamentos........................................................... 33
4.4.1 Dinamômetro ......................................................................... 33
4.4.2 Medidor de vazão .................................................................. 35
4.4.3 Sensor MAP .......................................................................... 37
4.4.4 Sensor lambda ....................................................................... 38
4.4.5 Tacômetro ............................................................................. 42
4.4.6 Termo-higrômetro.................................................................. 44
4.5 Matriz de testes .............................................................................. 45
Capítulo 5: Resultados e Discussões ................................................................ 49
5.1 Eficiência Volumétrica ................................................................... 50
5.2 Eficiência Global............................................................................ 58
ix
5.3 Eficiência Mecânica ....................................................................... 64
5.4 Eficiência Térmica ......................................................................... 70
Capítulo 6: Conclusões e Proposta de Trabalhos Futuros ................................. 76
6.1 Propostas de trabalhos futuros ........................................................ 77
Capítulo 7: Referências Bibliográficas ............................................................. 79
Apêndice I: Determinação da Densidade do Ar Atmosférico............................ 85
Apêndice II: Cálculo da (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 ................................................................... 87
Apêndice III: Determinação das Incertezas das Eficiências .............................. 89
Apêndice IV: Resultados Experimentais .......................................................... 92
IV.1 Rotação ........................................................................................ 92
IV.2 Força ............................................................................................ 92
IV.3 Consumo de combustível ............................................................. 93
IV.4 Pressão MAP ............................................................................... 94
IV.5 Lambda ........................................................................................ 95
IV.6 Potência total de fricção (𝑃𝑡𝑓) ..................................................... 96
IV.7 Potência devido à resistência ao rolamento das rodas ................... 97
IV.8 Eficiência Volumétrica ................................................................. 97
IV.9 Eficiência Global ....................................................................... 100
IV.10 Eficiência Mecânica ................................................................. 103
IV.11 Eficiência Térmica ................................................................... 106
x
Lista de Figuras
Figura 2-1 - Concentração anual de 𝐶𝑂2 na atmosfera (NOAA, 2011) ···················· 4
Figura 3-1 - Classificação das máquinas térmicas ············································ 9
Figura 3-2 - Caracterização do ciclo Otto padrão-ar (MORAN & SHAPIRO, 2004,
adaptada) ·························································································10
Figura 3-3 - Relação entre eficiência, razão de compressão e o 𝛾 do fluido ativo
(BRUNETTI, 2014) ·············································································11
Figura 3-4 - Vista de um motor tipo Otto, com 4 cilindros em linha (HEYWOOD, 1988)
·····································································································12
Figura 3-5 - Cilindro de um motor Otto esquemático (MORAN & SHAPIRO, 2004,
adaptada) ·························································································13
Figura 3-6 - 4 tempos de um motor ciclo Otto esquemático (HEYWOOD, 1988) ······14
Figura 3-7 - Desenho esquemático de um pistão, destacando a presença dos anéis
(HEYWOOD, 1988) ············································································15
Figura 3-8 - Representação esquemática do sistema de ar (BRUNETTI, 2014, adaptada)
·····································································································16
Figura 3-9 - Relação entre as perdas de bombeamento, fricção e acessórios ·············23
Figura 3-10 - Gráfico PxV de um motor Otto 4 tempos (MORAN & SHAPIRO, 2004,
adaptada) ·························································································25
Figura 3-11 - Esquema de um indicador mecânico de pressões (BRUNETTI, 2014,
adaptada) ·························································································26
Figura 4-1 - Diagrama esquemático dos sensores e da aquisição de dados ···············31
Figura 4-2 - Posicionamento dos sensores no motor (BRUNETTI, 2014, adaptada) ····32
Figura 4-3 - Controladora National Instruments Compact-Rio 9024 ······················32
Figura 4-4 - Panorama geral do motor ························································33
Figura 4-5 - Terminal de controle do dinamômetro ·········································34
Figura 4-6 - Esquema de um medidor de vazão – Coriolis (BRUNETTI, 2014) ········35
Figura 4-7 - Detector remoto do medidor de vazão ROTAMASS ·························36
Figura 4-8 - Conversor do medidor de vazão do ROTAMASS ····························37
Figura 4-9 - Desenho esquemático de um Sensor MAP ····································38
Figura 4-10 - Sensor lambda banda estreita esquemático (BRUNETTI, 2014, adaptado)
·····································································································39
Figura 4-11 - Sensor lambda banda larga esquemático (BOWLING & GRIPPO, 2004,
adaptada) ·························································································40
xi
Figura 4-12 - Sinal de saída típico dos sensores lambda tipo banda larga e estreita ·····41
Figura 4-13 - Sensor lambda Bosch LSU 4.9 (BOSCH, 2015) ····························42
Figura 4-14 - Módulo lambda ETAS ES630 ·················································42
Figura 4-15 - Detalhe do sensor indutivo do tacômetro ao redor do cabo de ignição ···43
Figura 4-16 - Módulo do tacômetro SmartTach ·············································44
Figura 4-17 - Imagem do termo-higrômetro Minipa MTH-1362 (MINIPA, 2014) ······45
Figura 4-18 - Fluxograma do procedimento experimental ··································47
Figura 4-19 - Diagrama da sequência de ensaios realizados ·······························48
Figura 5-1 – Exemplo da pressão MAP: experimento com etanol, 40km/h ··············49
Figura 5-2 - Pressão MAP, ensaio com etanol hidratado, 40 km/h ························50
Figura 5-3 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios a 40 km/h ·············51
Figura 5-4 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios a 50 km/h ·············52
Figura 5-5 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios a 60 km/h ·············52
Figura 5-6 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios a 70 km/h ·············53
Figura 5-7 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios a 80 km/h ·············53
Figura 5-8 - Consumo mássico de gasolina em relação ao etanol para cada condição
operativa ··························································································54
Figura 5-9 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios com etanol ···········56
Figura 5-10 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios com gasolina ·······56
Figura 5-11 – Análise da eficiência volumétrica para os ensaios em WOT ··············57
Figura 5-12 – Resultado da eficiência global para os ensaios a 40 km/h ·················58
Figura 5-13 - Resultado da eficiência global para os ensaios a 50 km/h ··················59
Figura 5-14 - Resultado da eficiência global para os ensaios a 60 km/h ··················59
Figura 5-15 - Resultado da eficiência global para os ensaios a 70 km/h ··················60
Figura 5-16 - Resultado da eficiência global para os ensaios a 80 km/h ··················60
Figura 5-17 - Resultado da eficiência global para os ensaios com etanol ·················61
Figura 5-18 - Resultado da eficiência global para os ensaios com gasolina ··············62
Figura 5-19 - Análise da eficiência global para os ensaios em WOT ·····················63
Figura 5-20 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios a 40 km/h ··············64
Figura 5-21 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios a 50 km/h ··············65
Figura 5-22 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios a 60 km/h ··············65
Figura 5-23 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios a 70 km/h ··············66
xii
Figura 5-24 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios a 80 km/h ··············66
Figura 5-25 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios com etanol ·············67
Figura 5-26 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios com gasolina ··········68
Figura 5-27 - Análise da eficiência mecânica para os ensaios em WOT ··················69
Figura 5-28 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios a 40 km/h ················70
Figura 5-29 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios a 50 km/h ················71
Figura 5-30 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios a 60 km/h ················71
Figura 5-31 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios a 70 km/h ················72
Figura 5-32 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios a 80 km/h ················72
Figura 5-33 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios com etanol ···············73
Figura 5-34 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios com gasolina ·············74
Figura 5-35 - Análise da eficiência térmica para os ensaios em WOT ····················75
1
Capítulo 1: Introdução
1.1 Histórico
Em agosto de 2015 havia no Brasil 49,2 milhões de veículos leves (DENATRAN,
2015). Somente no ano de 2014 foram produzidos 2,5 milhões de veículos com motor
ciclo Otto, sendo 2,3 milhões do tipo Flex (ANFAVEA, 2015), que funcionam com
qualquer mistura de etanol e gasolina. Além disso, no mesmo ano foi importado mais de
meio milhão de veículos tipo Otto (ANFAVEA, 2015).
No Brasil, os veículos leves são proibidos de usarem óleo diesel como
combustível (BRASIL – DEPARTAMENTO NACIONAL DE COMBUSTÍVEIS,
1994). Por isso, quase todos esses veículos utilizam motores do ciclo Otto. Esse tipo de
motor consome principalmente dois tipos de combustíveis: etanol e gasolina.
A gasolina comercializada no Brasil é misturada com etanol desde a criação do
programa do governo federal PRÓ-ÁLCOOL (BRASIL – GOVERNO FEDERAL,
1975). O objetivo do programa foi o aumento da produção de etanol anidro para mistura
à gasolina, de forma a diminuir a importação desse combustível, especialmente após a
crise do petróleo. Posteriormente foi incentivada a criação do primeiro veículo movido à
etanol, em 1979. Como legado desse programa, é comum encontrar etanol à venda nos
postos de combustíveis até hoje no país, bem como misturado à gasolina C comercial, na
forma anidro (BRASIL – MINISTÉRIO DA AGRICULTURA, 2015).
Essa grande frota de veículos consumiu, somente no ano de 2012, 31,7 bilhões de
litros de gasolina e 19 bilhões de litros etanol (BRASIL – MINISTÉRIO DO MEIO
AMBIENTE, 2014). A combustão desses combustíveis gerou, somente no ano de 2012,
a emissão de mais de 96 milhões de toneladas de CO2, entre outros poluentes.
Para conter toda essa poluição, o Conselho Nacional do Meio Ambiente criou o
Programa de Controle de Emissões Veiculares – PROCONVE, por meio da resolução
CONAMA n° 18, de 1986 (Brasil – CONAMA, 1986). Esse programa regula alguns dos
principais poluentes emitidos pelos veículos, estabelecendo limites máximos de emissões.
Esses limites vêm diminuindo gradativamente com as novas resoluções do Conselho.
Em 2012 foi criado o Programa de Incentivo à Inovação Tecnológica e
Adensamento da Cadeia Produtiva de Veículos Automotores - Inovar-Auto (BRASIL –
GOVERNO FEDERAL, 2012). Esse programa do governo federal permitirá, em 2017,
desconto de até dois pontos percentuais no IPI dos veículos cujo consumo energético seja
reduzido em 18,84%. Podem ser contemplados nesse programa empresas que produzam,
comercializem, ou que apresentem plano de investimento para produção de veículos no
Brasil.
2
1.2 Motivação
O programa Inovar-Auto tem como objetivo estimular projetos mais eficientes
para os veículos fabricados no Brasil. Para tanto, evidentemente, é necessário conhecer
as ineficiências do veículo, isto é, onde a energia química proveniente da combustão do
combustível está sendo perdida.
Um dos aspectos mais importantes na avaliação da eficiência dos veículos é o
consumo de combustível. Este, por sua vez, deriva de diversos fatores, com maior ou
menor grau de influência.
Alguns desses fatores estão ligados ao design do veículo e, uma vez definidos no
projeto, em grande medida não mais serão alterados. Como exemplo, podem ser citadas
a massa total do veículo, a área frontal e a cilindrada (volume deslocado pelos pistões,
também chamada de capacidade volumétrica do motor).
Outros fatores dependem de como o veículo é conduzido: sua velocidade e
potência instantânea desenvolvida, por exemplo, variam continuamente no uso diário.
Com os veículos Flex, a composição do combustível também pode ser alterada,
introduzindo mais um fator de influência na eficiência do veículo.
A motivação deste trabalho vem dos estudos sobre como a alteração das condições
de operação de um veículo, inclusive a seleção do combustível, impactam a sua eficiência.
Devido à criação do programa Inovar-Auto pelo governo federal e à importância dos
veículos Otto Flex para o cenário automotivo brasileiro, estudos da eficiência deste tipo
de veículo tornam-se ainda mais relevantes.
1.3 Objetivos
O objetivo desse trabalho é calcular as eficiências volumétrica, global, mecânica
e térmica de um veículo leve equipado com um motor do ciclo Otto Flex, representativo
da frota brasileira, em diferentes condições de carga e combustível.
O veículo foi então instrumentado e testado num dinamômetro de chassis de 48’’
da AVL-ZÖLLNER. Os sensores instalados permitiram medir o consumo mássico
horário de combustível, a pressão absoluta no coletor de admissão, a razão ar-combustível
relativa (λ) da mistura e a velocidade de rotação do motor (em rotações por minuto, RPM).
De modo a testar as diferentes condições de carga, foi desenvolvida uma matriz
de ensaios representando diferentes velocidades e posições do pedal do acelerador.
De modo a representar os combustíveis encontrados em postos de abastecimento
do país no final de 2015, os ensaios foram realizados com etanol hidratado e repetidos
com gasolina brasileira (E27, com 27% em volume de etanol anidro). A seleção dos
combustíveis atende aos requisitos do veículo selecionado, que pode funcionar com
qualquer mistura destes.
3
1.4 Organização do trabalho
O capítulo 2 do trabalho apresenta uma breve revisão da bibliografia estudada.
Apresenta e discute trabalhos semelhantes em maior ou menor grau a este. Nesse capítulo
foram utilizados termos e nomenclaturas típicas da área de ensaio de veículos e motores.
O capítulo 3 aborda a teoria por trás do presente trabalho. O subcapítulo 3.1
introduz o ciclo Otto padrão-ar, base dos veículos leves brasileiros. O subcapítulo 3.2
apresenta os componentes e o funcionamento básico de um veículo ciclo Otto real.
Apresenta também a definição dos principais termos utilizados nesse trabalho. O
subcapítulo 3.3 explica como o motor Otto real se diferencia do teórico, e como essas
diferenças implicam nas ineficiências dos motores reais, assunto deste trabalho.
O capítulo 4 ilustra como o ensaio foi feito. É fornecida uma descrição do veículo
e dos combustíveis utilizados, bem como uma explicação básica do funcionamento dos
sensores instalados. Por fim, é apresentada a matriz de cargas e velocidades a que o
veículo foi submetido.
O capítulo 5 apresenta os resultados para o cálculo das eficiências nas condições
testadas. Propõe também quais seriam as razões para algumas das tendências observadas.
O capítulo 6 faz a conclusão dos resultados encontrados e dá sugestões para
trabalhos futuros baseados no presente trabalho. As referências bibliográficas se
encontram listadas no capítulo 7.
4
Capítulo 2: Revisão Bibliográfica
Veículos Otto são veículos que utilizam a combustão como fonte de energia. No
Brasil, os combustíveis tipicamente utilizados por esses veículos são a gasolina brasileira
(E27, com 27% em volume de etanol anidro) e o etanol hidratado (com 4,5% de água). A
combustão desses combustíveis, porém, gera a emissão de gases poluentes, que
contribuem para o efeito estufa. Entre os gases poluentes emitidos, está o 𝐶𝑂2, cuja
concentração na atmosfera aumenta ano após ano. A Figura 2-1 mostra a concentração
anual de 𝐶𝑂2 na atmosfera, conforme medido pelo observatório de Mauna Loa, no Havaí.
Figura 2-1 - Concentração anual de 𝐶𝑂2 na atmosfera (NOAA, 2011)
Assim, melhorar o aproveitamento da energia gerada por um veículo Otto torna-
se fundamental na diminuição da emissão de gases do efeito estufa. Diferentes tecnologias
têm sido estudadas para atingir esse objetivo. A alteração da injeção do combustível, de
injeção no coletor (PFI: port fuel injection) para injeção de gasolina diretamente nos
cilindros (GDI: gasoline direct injection); a alteração do sistema de admissão de ar, de
aspirado (NA: naturally aspirated) para turbo-comprimido (turbocharged); a alteração do
tempo de abertura e fechamento das válvulas (VVT: variable valve-timing); a variação da
razão de compressão; a eliminação da borboleta (throttle); a utilização de sistemas
híbridos de geração de energia (hybrid powertrain systems); e a utilização de
biocombustíveis (biofuels) vêm sido estudadas (CARVALHO, 2009) como formas de
aumentar a eficiência dos veículos, contribuindo para uma menor emissão de gases
poluentes.
WYSZYNSKI et al. (2002) estudaram a influência de diferentes combustíveis na
eficiência volumétrica de motores com injeção PFI e GDI. O estudo foi realizado em um
motor monocilindro baseado no sistema de combustão Mitsubishi GDi, operando em
baixa rotação (1000 RPM). Foi encontrado, para gasolina comercial, um aumento na
eficiência volumétrica de 9% quando a injeção no coletor (PFI) era substituída pelo
5
sistema com injeção direta (GDI). Foi percebido um aumento de mais 3% quando a
gasolina foi misturada com 10% de metanol.
FARREL et al. (2003) estudaram como a variação do teor de olefinas e aromáticos
e do teor de etanol numa gasolina comercial influencia a eficiência global e as emissões
de poluentes de um motor Otto. O motor utilizado no experimento, Toyota 1AZ-FSE, 2.0,
possuía sistema de injeção direta de combustível, e foi testado majoritariamente em cargas
parciais. Foi encontrado uma boa correlação entre o nível de olefinas na gasolina e um
aumento na eficiência global. Devido ao alto teor de enxofre nos combustíveis utilizados,
não foram encontradas correlações estatisticamente relevantes entre as propriedades dos
combustíveis e as emissões de poluentes.
AMORIM (2005) estudou a influência da razão de compressão no desempenho e
na eficiência de um motor Otto Flex. Foi estudado um motor FIAT FIRE Flex 1.3, com
razão de compressão original de 11:1. O estudo testou gasolina brasileira, etanol hidratado
e gás natural veicular (GNV), na razão de compressão original e nas razões de 12,5:1 e
15:1. Uma central eletrônica programável e um kit de conversão para GNV foram
instalados, e o motor foi calibrado para cada combustível. O estudo mostrou que os
melhores valores de torque, potência e consumo específico para a gasolina ocorreram na
razão de compressão de 11:1; para o etanol hidratado, na de 12,5:1; e para o GNV, na de
15:1. Além disso, o estudo mostrou que o etanol promove um ganho no torque máximo
de 11% em relação à gasolina, enquanto o GNV promove uma redução no torque máximo
de 10%, aproximadamente.
BAÊTA (2006) desenvolveu uma metodologia experimental para maximizar o
desempenho de um motor Otto Flex por meio da instalação de um turbo-compressor.
Foram utilizados o mesmo motor e os mesmos combustíveis utilizados por AMORIM
(2005). O trabalho conclui que a aplicação do turbo-compressor se mostrou efetiva,
obtendo valores de torque superiores com os três combustíveis testados, sem que a
eficiência global sofresse prejuízos.
CATON et al. (2007) estudaram a performance de um motor padrão CFR quando
operado com gasolina, gasohol (gasolina com 10% de etanol anidro) e E85 (85% de etanol
anidro e 15% de gasolina). O motor foi testado a 900 RPM, e foram variadas o tempo de
ignição e a razão de compressão. A injeção de combustível se dava antes das válvulas de
admissão (PFI), e a mistura foi mantida levemente rica (λ=0,9). Foi descoberto que para
cada unidade de aumento na razão de compressão o tempo de ignição precisou ser
atrasado em 5 graus para a gasolina e para o gasohol. Para o E85, o atraso foi de apenas
2 graus. A eficiência volumétrica com E85 foi menor que com gasohol e gasolina. Para
uma razão de compressão de 9:1 (típica para motores dedicados à gasolina), a eficiência
térmica com E85, relativamente à gasolina, foi 25% maior. Porém, enquanto o consumo
específico com gasohol e gasolina foram similares, o consumo específico com E85 foi
26% maior.
VILLELA et al. (2009) fizeram uma ampla pesquisa sobre a diferença na
autonomia de veículos Otto Flex funcionando com gasolina brasileira (E22) e etanol
6
hidratado. Foi analisada a autonomia no ciclo urbano de 15 veículos pertencentes ao
CENPES (Centro de Pesquisas da Petrobras), e a autonomia declarada ao Programa
Brasileiro de Etiquetagem Veicular (PBEV) no ciclo urbano de outros 21 veículos. O
estudo encontrou que, em média, a autonomia dos veículos Flex com etanol hidratado é
68% da autonomia do mesmo veículo, mas funcionando com gasolina E22.
COSTA et al. (2011) estudaram o efeito da razão de compressão na performance
de um motor Otto Flex funcionando com etanol hidratado e gasolina (E22). Foram
estudadas razões de compressão de 10:1, 11:1 e 12:1, e rotações do motor de 1500 a 6500
RPM. Foi observado que a altas rotações, o aumento da razão de compressão levou a um
aumento no torque para ambos os combustíveis. Enquanto a utilização de razões de
compressão muito baixas para a gasolina não afeta o consumo específico desse
combustível, razões de compressão altas afetam positivamente os resultados com etanol
hidratado, diminuindo o consumo específico e aumentando a eficiência global.
CARVALHO (2011) realizou ensaios em um motor Otto Flex 1.4L, capaz de
funcionar com gasolina brasileira e etanol hidratado. Foi instalado no motor um “kit-gás”,
de modo a funcionar também com gás natural veicular (GNV). A metodologia do trabalho
consistiu de ensaios experimentais realizados em dinamômetro de bancada. Foram
testados gasolina, etanol hidratado, etanol anidro, misturas gasolina/etanol e GNV. Foram
comparados resultados de torque, consumo, potência, eficiências e emissões de poluentes.
De uma maneira geral, o trabalho destacou o álcool combustível, tanto pelos bons
resultados de desempenho e eficiência, como do ponto de vista ambiental, por ser esse
combustível produzido a partir de biomassa.
MELO (2012) realizou uma análise experimental e uma simulação computacional
de um motor Tetrafuel da FIAT, 1.4L Otto Flex. O motor foi ensaiado com gasolina com
25% de etanol anidro (H0), etanol hidratado (H100), e misturas de etanol hidratado na
gasolina nos percentuais de 30% (H30), 50% (H50) e 80% (H80). Foram realizados
ensaios de desempenho e emissões em um banco de provas de motor e foi medida também
a pressão na câmara de combustão. Os dados experimentais foram utilizados para validar
o modelo computacional desenvolvido, que gera curvas de pressão na câmara de
combustão em função do ângulo de virabrequim como resultado de saída. Foi observado
que a adição de etanol levou a um avanço do ângulo de ignição e a uma menor
variabilidade da pressão máxima na câmara de combustão. Além disso, devido ao menor
poder calorífico inferior do etanol, foi observado um aumento no consumo específico do
motor. O aumento do teor de etanol levou também a um aumento das emissões de CO2,
devido ao aumento do consumo de combustível. No entanto, devido ao aumento do teor
de oxigênio no combustível, o aumento do teor de etanol levou a uma diminuição das
emissões de hidrocarbonetos e a um aumento das emissões de aldeídos e etanol não-
queimado.
JUNG et al. (2013) estudaram a diferença de eficiência global de um motor V8
5.0 com injeção direta de combustível funcionando com gasolina pura (E0, sem adição
de etanol) e E85 (85% em volume de etanol anidro e 15% de gasolina). O motor foi
ensaiado a 1500 RPM e 2,62 bar BMEP, 1500 RPM e 5 bar BMEP e 2000 RPM e 5 bar
7
BMEP. Foi descoberto que a eficiência global do motor com E85 é 4% maior relativa à
gasolina pura. Os autores argumentaram que em torno da metade dessa melhora é devido
à maior entalpia de vaporização do E85, e a outra metade devido à menor temperatura
dos gases de exaustão. A menor temperatura dos gases de exaustão é devida tanto a menor
temperatura adiabática de chama do E85 quanto ao maior calor específico a pressão
constante (𝑐𝑝).
CHAVES (2013) analisou o impacto da adição de etanol hidratado às gasolinas
comum e premium brasileiras, nos teores de 20, 30 e 40%. Foi utilizado um motor ASTM
CFR-F2 para a determinação da octanagem MON dos combustíveis. Foi observado que
a adição de etanol aumenta a octanagem da gasolina comum, mas altera apenas
marginalmente a da gasolina premium. Além disso, foi observado que o consumo de
combustível é maior quanto maior e teor de etanol.
WANG et al. (2015) estudaram dois sistemas de injeção de combustíveis
diferentes: injeção de álcool no coletor de admissão e injeção direta de gasolina (álcool-
gasolina), e injeção de gasolina no coletor de admissão e injeção direta de álcool
(gasolina-álcool). Esses dois sistemas foram comparados com a condição de referência,
injeção direta de gasolina. Três diferentes álcoois foram estudados, nomeadamente
metanol, etanol anidro, e etanol com 15% de água. O motor utilizado (2.0, 4 cilindros,
razão de compressão de 13:1) foi testado em 1600 RPM com a borboleta totalmente
aberta. Foi descoberto que a configuração gasolina-álcool resulta em valores de eficiência
global e volumétrica maiores. A configuração gasolina-metanol produziu um torque 19%
maior que a condição de referência.
VILLELA et al. (2014) estudaram a eficiência energética de um veículo Otto Flex
brasileiro. Foram avaliadas a energia química disponível pelo combustível e todas as
perdas de energia nos sistemas do veículo, como a resistência ao rolamento das rodas, o
atrito no sistema de transmissão e a resistência do ar, entre outras. O veículo, 1.4L,
manual, foi ensaiado em 3ª marcha de 40 a 80 km/h, em condições de carga máxima
(Wide-open throttle, WOT máxima abertura da borboleta) com gasolina E25. Para os
ensaios realizados, foi observado que 20,6% da máxima potência teórica do veículo era
perdida na admissão do ar; 56,5% era perdido devido às ineficiências térmicas do veículo;
e 6,6% era perdido devido ao atrito mecânico entre os componentes. Assim, apenas 16,3%
da máxima potência teórica era de fato produzida pelo veículo na forma de potência útil.
Assim, nota-se pela literatura pesquisada que muitos autores estudam o impacto
da alteração das configurações dos motores, ou o impacto de alterações dos combustíveis
na performance dos motores. VILLELA (2014) propõe uma análise diferenciada ao
avaliar as eficiências volumétrica, mecânica e térmica do veículo como um todo. Este
trabalho, portanto, propõe uma extensão do trabalho iniciado por VILLELA (2014). Serão
avaliadas então as eficiências de um veículo Flex operando não somente com gasolina
em WOT, mas também com etanol e em condições de carga parciais.
8
Capítulo 3: Análise Teórica
O motor tipo Otto é uma máquina térmica, um motor de combustão interna
alternativo. BRUNETTI (2014) define uma máquina térmica como um dispositivo que
permite transformar calor em trabalho. O calor pode ser obtido de diferentes fontes:
combustão, energia elétrica, energia atômica, etc. No caso dos motores do tipo Otto, o
calor é proveniente, tipicamente, de combustíveis fósseis líquidos.
A obtenção de trabalho pelo motor se dá a partir de uma sequência de processos
termodinâmicos realizados no fluido ativo característico da máquina térmica. Por isso, a
primeira classificação das máquinas térmicas é quanto ao comportamento do fluido ativo:
em motores de combustão externa, o fluido ativo é apenas o veículo da energia térmica,
ocorrendo a combustão externamente a este; em motores de combustão interna, o fluido
ativo participa diretamente da combustão.
Os motores de combustão interna são, por sua vez, divididos em motores
alternativos e motores rotativos. Em motores alternativos, o trabalho é obtido pelo
movimento de vaivém de um pistão, transformado em rotação contínua por um sistema
biela-manivela. Em motores rotativos o trabalho é obtido diretamente por um movimento
de rotação.
A combustão é um processo químico exotérmico de oxidação de um combustível.
O oxidante da reação é tipicamente o oxigênio presente no ar atmosférico. Para que o
combustível reaja com o oxigênio do ar necessita-se de algum agente que provoque o
início da reação. Denomina-se ignição o processo que provoca o início da combustão.
Quanto à ignição, os motores alternativos são divididos em dois tipos: os motores
de ignição por faísca, ou tipo Otto, e os motores de ignição espontânea, ou por
compressão, ou tipo Diesel. Em motores tipo Otto, a mistura ar-combustível é inflamada
por uma faísca que ocorre entre os eletrodos de uma vela. Já em motores tipo Diesel, o
combustível reage espontaneamente com o oxigênio presente no ar quente, sem a
necessidade de uma faísca.
A Figura 3-1 mostra um diagrama esquemático simples das classificações e
subdivisões das máquinas térmicas. O motor tipo Otto está destacado na figura, devido a
ser o tema abordado nesse trabalho.
Para o desenvolvimento de modelos dos processos termodinâmicos que
acontecem dentro das máquinas térmicas reais, idealizações normalmente são feitas.
Embora um modelo simplificado geralmente permita apenas um estudo qualitativo da
performance das máquinas reais, eles nos permitem tirar conclusões sobre como
mudanças em alguns parâmetros operativos afetariam a performance dessas máquinas.
9
Figura 3-1 - Classificação das máquinas térmicas
3.1 O ciclo Otto padrão-ar (teórico)
O ciclo Otto teórico é chamado de ciclo Otto padrão-ar. Ele tem esse nome devido
à primeira simplificação que é feita no seu cálculo: admite-se que as transformações do
ciclo atuam sobre uma quantidade fixa de fluido de trabalho, que é tomado como sendo
o ar atmosférico. As outras simplificações podem ser observadas na Tabela 3-1. Essas
simplificações permitirão uma análise termodinâmica simples do ciclo padrão-ar.
Tabela 3-1 - Simplificações do ciclo Otto padrão-ar (BRUNETTI, 2014)
1. O fluido ativo é ar; é desconsiderado o combustível
2. O ar é um gás perfeito (gases para os quais vale a relação de Clapeyron)
3. O ar é um gás ideal (gases para os quais os calores específicos a volume e pressão
constantes não dependem da temperatura)
4. Não há admissão ou escape (não há troca de massa)
5. A compressão e expansão são assumidas isentrópicas
6. A combustão é substituída por um fornecimento de calor instantâneo para o
fluido de trabalho
7. A exaustão é substituída por uma retirada de calor instantânea do fluido de
trabalho
8. Todos os processos são reversíveis
O ciclo Otto padrão-ar é caracterizado por quatro processos termodinâmicos
reversíveis, como pode ser visualizado na Figura 3-2. O primeiro é uma compressão
isentrópica (1-2). O segundo é uma adição de calor isovolumétrica (2-3, representando a
combustão do combustível). O terceiro é uma expansão isentrópica (3-4, o único processo
que produz trabalho positivo). O quarto é uma remoção de calor isovolumétrica (4-1,
representando a exaustão dos produtos da combustão).
Máquina térmica
Combustão interna Combustão externa
(ex: máquina a vapor)
Alternativo Rotativo (ex: Wankel)
Ignição por centelha
(ex: Otto)
Ignição por compressão
(ex: Diesel)
10
Figura 3-2 - Caracterização do ciclo Otto padrão-ar (MORAN & SHAPIRO,
2004, adaptada)
Com a Figura 3-2 é possível definir o trabalho do ciclo 𝑊𝑐 , que é a área 1-2-3-4
no diagrama P-v, e o calor útil 𝑄𝑢, que é a área 1-2-3-4 no diagrama T-s. Aplicando a 1ª
Lei da Termodinâmica para Sistemas ao ciclo, e considerando-se que em um ciclo a
energia interna final e inicial são iguais, obtêm-se que 𝑊3−4 − 𝑊1−2 = 𝑊𝑐 = 𝑄𝑢 =
𝑄2−3 − 𝑄4−1.
Definindo-se a eficiência térmica como a razão entre o trabalho do ciclo e o calor
fornecido pela fonte quente, e aplicando-se as hipóteses simplificadoras da Tabela 3-1, é
possível calcular o rendimento do ciclo Otto teórico por meio da equação 3-1.
𝜂𝑂𝑡𝑡𝑜 =
𝑊3−4 − 𝑊1−2
𝑄2−3= 1 −
1
𝑟𝑐𝛾−1
(3.1)
Nessa equação 𝑟𝑐 =𝑉𝑏
𝑉𝑎 é a razão de compressão, a razão entre os volumes 𝑉𝑏 e 𝑉𝑎
da Figura 3-2, e 𝛾 =𝑐𝑝
𝑐𝑣 é a razão dos calores específicos a pressão e volume constantes.
A Figura 3-3 mostra um gráfico da variação do rendimento térmico com a razão
de compressão para quatro valores típicos de gama. Pode-se perceber que para o gama do
ar atmosférico, 1,4, e uma razão de compressão de 13:1 (igual à do veículo selecionado
para esse trabalho), é encontrada uma eficiência térmica de 64,2%. Devido a terem sido
feitas várias simplificações, é de se esperar que a eficiência térmica real seja menor que
a calculada com a equação 3-1.
11
Figura 3-3 - Relação entre eficiência, razão de compressão e o 𝛾 do fluido ativo
(BRUNETTI, 2014)
3.2 Funcionamento de um motor Otto 4 tempos real
O presente trabalho aborda a eficiência de um veículo Otto Flex 4 tempos. Por
isso será apresentado aqui um detalhamento maior do seu funcionamento. A Figura 3-4
mostra um corte de um motor tipo Otto, com 4 cilindro em linha. Da figura é possível ver
o posicionamento relativo dos pistões, arranjados em pares. É possível ver também a
existência de uma válvula de admissão e uma de exaustão por cilindro, como é o caso do
veículo testado neste trabalho. O eixo de comando de válvulas sobre os cilindros (no
cabeçote) também é uma característica presente no veículo testado. Esses e alguns outros
elementos do motor estão numerados e nomeados na Tabela 3-2 (HEYWOOD, 1988).
Tabela 3-2 - Alguns elementos do motor Otto
1. Carburador 5. Ajustador hidráulico 9. Biela 13. Pinhão
2. Filtro de ar 6. Válvula de admissão 10. Virabrequim 14. Tensionador
3. Eixo de comando de válvulas 7. Válvula de exaustão 11. Bomba de óleo 15. Correia
4. balancim 8. Pistão 12. Pescador do óleo 16. Coroa
12
Figura 3-4 - Vista de um motor tipo Otto, com 4 cilindros em linha (HEYWOOD,
1988)
Figura 3-5 mostra um desenho esquemático de um único cilindro de um motor
Otto. O pistão se movimenta dentro do cilindro, e os pontos mortos inferior e superior são
os extremos da movimentação do pistão. O cilindro é fechado no topo pelo cabeçote. O
espaço entre o cabeçote e o ponto morto superior é chamado de câmara de combustão. A
vela e as válvulas de admissão e exaustão, através das quais a mistura de ar e combustível
é renovada, ficam posicionadas no cabeçote. A parte do motor abaixo dos pistões, aonde
estão localizados o virabrequim e a bomba de óleo, é denominada cárter.
13
Figura 3-5 - Cilindro de um motor Otto esquemático (MORAN & SHAPIRO,
2004, adaptada)
A Figura 3-6 mostra os quatro tempos de funcionamento de um motor Otto. A
mistura ar-combustível é aspirada para dentro do cilindro no tempo de admissão, Figura
3-6a. O movimento para baixo do pistão nesse tempo cria um vácuo dentro do cilindro.
É esse vácuo que succiona a mistura. Devido à inércia de rotação do virabrequim, o pistão
inicia um movimento para cima, comprimindo a mistura ar-combustível admitida. A esse
tempo dá-se o nome de compressão, Figura 3-6b. Ao fim da compressão, a vela causa
uma centelha, que inflama a mistura ar-combustível comprimida. A energia liberada pela
combustão do combustível faz aumentar a pressão e a temperatura dentro da câmara de
combustão. O pistão é então empurrado devido à alta pressão, provocando o movimento
de rotação da biela. A esse tempo dá-se o nome de expansão, Figura 3-6c. Após a
combustão, os gases resultantes são expelidos do cilindro no tempo de exaustão, Figura
3-6d. O pistão causa uma pressão nos gases suficiente para vencer a perda de carga do
sistema de exaustão.
Vela
Válvula de
exaustão
Câmara de combustão
Parede do
cilindro
Pistão
Virabrequim
Movimento de
rotação
Movimento
alternativo
Curso
Ponto morto
superior
Ponto morto
inferior
Válvula de
admissão
Diâmetro
Biela
Cabeçote
Bloco
Cárter
14
Figura 3-6 - 4 tempos de um motor ciclo Otto esquemático (HEYWOOD, 1988)
Devido à construção da conexão entre a biela e o virabrequim, o movimento
alternativo do pistão é transformado em movimento rotativo do virabrequim. O
virabrequim é então conectado a um sistema de transmissão, que transmite o torque
produzido pelo motor para os pneus, impulsionando o veículo.
O pistão não fica em contato direto com a parede do cilindro. O óleo lubrificante
do motor se interpõe entre os dois, lubrificando o contato entre as partes móveis. Devido
ao pistão não vedar completamente o cilindro, os motores Otto possuem anéis entre esses
dois componentes. Os anéis cumprem duas funções: diminuir a passagem dos gases da
combustão do cilindro para o cárter através da folga entre o cilindro e o pistão (um
fenômeno chamado por HEYWOOD, 1988, de blow-by), e diminuir a passagem de óleo
lubrificante do cárter para a câmara de combustão.
A energia produzida pela combustão da mistura ar-combustível deve ser
transferida para o pistão para ser aproveitada como trabalho mecânico. Os gases do blow-
by não exercem pressão no topo do pistão, e por isso não realizam trabalho sobre este. A
sua energia é então desperdiçada, e por isso esse fenômeno deve ser evitado.
Já a passagem de óleo lubrificante para a câmara de combustão faz com que este
entre em combustão junto com a mistura ar-combustível. Isso é prejudicial para o
funcionamento do motor: caso o óleo seja totalmente consumido, nada irá lubrificar o
contato entre o cilindro e o pistão, o que pode provocar a falha de alguns dos componentes
do motor.
De modo a evitar esses dois fenômenos, os pistões tipicamente possuem dois anéis
de vedação (que diminuem o blow-by) e um anel raspador (para raspar o óleo lubrificante
de volta para o cárter). Um desenho esquemático do pistão de um motor Otto, com
destaque para os anéis, pode ser visualizado na Figura 3-7.
a) admissão b) compressão c) expansão d) exaustão
MI
MI
15
Figura 3-7 - Desenho esquemático de um pistão, destacando a presença dos anéis
(HEYWOOD, 1988)
Para que a combustão ocorra, é necessária a presença de ar na câmara de
combustão. O sistema de ar do veículo é responsável por coletar, filtrar, e regular a
quantidade de ar atmosférico a ser admitida no cilindro, e está mostrado de forma
esquemática na Figura 3-8. O primeiro elemento do sistema é o filtro de ar, marcado com
o número 0 na figura. Ele é responsável por eliminar as impurezas e partículas que
poderiam afetar a combustão e/ou danificar outros componentes do motor. O segundo
elemento é a borboleta, um dispositivo de regulagem da vazão de ar, marcado com o
número 1 na figura.
A inclinação da borboleta em relação à passagem de ar é controlada pelo pedal do
acelerador. Quanto mais o pedal é pressionado, mais a borboleta é inclinada em relação
ao escoamento, diminuindo a perda de carga deste, e maximizando a sua vazão. Quando
o pedal do acelerador é totalmente pressionado, a borboleta fica totalmente paralela ao
escoamento. Essa condição especial é chamada por CARVALHO (2011) e MELO (2012)
de Wide-Open Throttle (“Borboleta Totalmente Aberta”). A sigla WOT será usada neste
trabalho para se referir a essa condição.
Após a borboleta, o ar chega ao coletor de admissão, nome dado à última parte do
sistema de admissão de ar antes do cilindro, e marcado com o número 2 na Figura 3-8.
Nos sistemas de injeção de combustível do tipo multi-ponto (como o presente no veículo
deste trabalho), é no coletor de admissão que o combustível é injetado e se mistura ao ar
admitido.
Coroa do Pistão
Anéis de vedação
Anel raspador
Saia
Folga dos anéis
Folga do
sulco
Anéis
Folga
lateral
Pino do pistão
16
O dispositivo responsável pela injeção do combustível é chamado de injetor, e
está marcado com o número 3 na figura. A unidade de controle eletrônico (Electronic
Control Unit, ECU) regula a quantidade de combustível injetado controlando o tempo de
abertura do injetor.
O dispositivo número 4 na figura é um termômetro, e o número 5 é a sonda MAP
(Manifold Absolute Pressure, pressão absoluta no coletor de admissão). Comercialmente,
porém, o nome sonda MAP costuma significar um único sensor que informa os dois
valores, de pressão e temperatura do coletor de admissão. O valor de pressão conforme
informado pela sonda MAP será tratado nesse trabalho como “Pressão MAP”, e
corresponde à pressão absoluta da mistura ar-combustível dentro do coletor de admissão.
O fim do sistema de ar é a válvula de admissão, através da qual a mistura ar-
combustível entra no cilindro para entrar em combustão.
Figura 3-8 - Representação esquemática do sistema de ar (BRUNETTI, 2014,
adaptada)
Por meio das informações dos sensores de temperatura, pressão do ar, e da
velocidade do motor (medidas por um tacômetro), é possível estimar o consumo de ar
instantâneo pelo método Speed Density, conforme explicado por BRUNETTI (2014) e
utilizado por BAÊTA (2006). O conhecimento do consumo de ar instantâneo é importante
para o cálculo da vazão necessária de combustível, realizado pela unidade de controle
eletrônico (ECU, sigla referente à Electronic Control Unit).
A relação entre o consumo de combustível e o consumo de ar depende da Relação
Ar-Combustível Estequiométrica (referida nesse trabalho pelo símbolo (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡). A
(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 é a menor massa de ar atmosférico seco que proporciona oxigênio suficiente
para a combustão completa de uma unidade de massa de combustível (MORAN &
SHAPIRO, 2004). O valor da (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 do combustível é gravado na ECU. Assim, a partir
do valor do consumo de ar é possível calcular a vazão de combustível correspondente.
17
De modo a checar se a relação entre o combustível injetado e a vazão de ar
admitida está correta, os veículos Otto possuem um sensor lambda no escapamento. λ
(letra grega lambda) significa razão ar-combustível relativa (HEYWOOD, 1988), e mede
o quanto a relação entre o consumo de ar e o consumo de combustível está próximo da
(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡. Numericamente, ele é calculado segundo a equação 3-2 (HEYWOOD, 1988).
Nessa equação, �̇�𝑎 representa o consumo mássico horário de ar seco, e �̇�𝑐, o consumo
mássico horário de combustível.
𝜆 =
�̇�𝑎�̇�𝑐
⁄
(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡
(3.2)
O sensor lambda é na verdade um medidor do teor de oxigênio no escapamento.
Uma explicação mais detalhada sobre o seu funcionamento será dada na seção 4.4.4. Os
veículos buscam funcionar com valor de λ o mais próximo possível de 1 (MELO et al.,
2009), pois essa condição corresponde a uma menor emissão de gases poluentes. A única
situação em que o veículo não opera com λ igual a 1 é em WOT. Assim, o cálculo da
vazão de combustível necessária é feito a partir do conhecimento da vazão de ar e da
(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡, e conferido pela sonda lambda. Esse processo é chamado controle em malha
fechada (closed-loop feedback control, MACHADO, 2012, MELO, 2012).
3.3 Desvios do motor real em relação ao teórico
O motor Otto real, conforme abordado na seção 3.2, possui diversos componentes
diferentes, os quais permitem o seu funcionamento. Porém, muitos desses componentes
introduzem diferenças relevantes em relação ao ciclo Otto padrão-ar. Isso faz com que o
motor Otto real possua uma eficiência, isto é, a relação entre a potência que ele produz e
a que ele poderia produzir, menor que 100%.
Um motor Otto real admite menos ar do que seria possível. A massa de ar admitida
tem uma densidade menor do que a densidade do ar atmosférico. Além disso, a energia
química presente no combustível não é totalmente aproveitada como energia útil. Uma
parte dessa energia é na fricção entre os diversos componentes do motor; uma outra parte
é gasta no bombeamento do ar, e uma outra parte é gasta no funcionamento dos acessórios
do motor. Por fim, a energia química presente no combustível não é totalmente liberada
devido a diversas ineficiências inerentes ao processo de combustão num motor Otto.
3.3.1 Eficiência volumétrica
A primeira diferença entre o ciclo ideal e o motor real é a quantidade de ar
admitida. O caminho que o ar atmosférico percorre até o cilindro provoca atritos e perda
de pressão do ar. Há perda de pressão e aquecimento no escoamento através do filtro de
ar, no escoamento ao redor da borboleta, dentro do coletor de admissão, e através das
válvulas de admissão.
Esses fatores combinados fazem com que menos ar seja admitido do que se o
cilindro fosse preenchido de maneira quasi-estacionária com ar a pressão e temperatura
18
atmosféricas. A relação entre a massa de ar admitida e a máxima quantidade possível de
se admitir é chamada de eficiência volumétrica.
A vazão de ar que teoricamente pode ser admitida pelo cilindro é dada pela
equação 3-3 (HEYWOOD 1988).
�̇�𝑎,𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 =
𝜌𝑎 ∗ 𝑉𝑑 ∗ 𝑁
2 (3.3)
Nessa equação, 𝑉𝑑 é volume deslocado pelo motor, numericamente igual à área
da coroa do pistão multiplicada pelo curso e pelo número de cilindros no motor. 𝑁 é a
velocidade rotacional do virabrequim, sendo tipicamente apresentada em rotações por
minuto, RPM. O fator 2 está presente pois, sendo o motor de 4 tempos, cada cilindro
realiza um tempo de expansão a cada duas rotações do virabrequim. 𝜌𝑎 é a densidade do
ar atmosférico, calculada assumindo-se que ele se comporte como um gás ideal. A
metodologia utilizada neste trabalho para encontrá-la está detalhada no Apêndice I.
A vazão de ar admitida pelo motor pode ser medida diretamente, por meio de um
dispositivo específico (a sonda MAF, sigla de mass air flow, ou medidor de vazão de ar),
ou calculada, por meio da equação 3-4.
𝜆 =
�̇�𝑎�̇�𝑐
⁄
(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 ↔ �̇�𝑎 = 𝜆 ∗ (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 ∗ �̇�𝑐
(3.4)
A equação 3-5 representa como foi calculada a eficiência volumétrica neste
trabalho. É a mesma maneira utilizada por AMORIM (2005), CARVALHO et al. (2008),
MACHADO (2012), MELO (2012) e VILLELA et al. (2014).
𝜂𝑣 =
�̇�𝑎
�̇�𝑎,𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎=
2 ∗ 𝜆 ∗ (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 ∗ �̇�𝑐
𝜌𝑎 ∗ 𝑉𝑑 ∗ 𝑁 (3.5)
A densidade do ar na equação 3-5 é a densidade do ar seco, atmosférico. Assim, a
eficiência volumétrica calculada a partir desse valor corresponde à eficiência volumétrica
de todo o sistema de admissão de ar. Alternativamente, a densidade pode ser calculada
com os valores de pressão e temperatura como informados pela sonda MAP. Caso essa
abordagem seja adotada, a eficiência volumétrica resultante corresponde apenas à
eficiência do coletor e das válvulas de admissão, apenas (HEYWOOD, 1988).
Porém, a pressão medida pelo sensor MAP corresponde à pressão absoluta no
coletor, o que inclui o ar seco dentro deste, o vapor d’água naturalmente presente e o
combustível vaporizado. Devido à dificuldade adicional deste cálculo, para este trabalho
apenas a eficiência volumétrica “total” (isto é, a correspondente a todo o sistema de
admissão) foi calculada.
É interessante notar que os veículos normalmente operam longe do ponto de
máxima eficiência volumétrica. Como o consumo de ar é limitado pela borboleta, o
máximo consumo de ar possível para uma dada rotação do motor (e, portanto, a máxima
eficiência volumétrica do motor para essa rotação) acontece apenas quando a borboleta
se encontra paralela ao escoamento do ar, em WOT. Assim, apenas quando o pedal do
19
acelerador está totalmente pressionado é que o motor opera com a máxima eficiência
volumétrica possível.
Por isso, quando o acelerador está totalmente pressionado diz-se que o motor está
a plena carga, para uma dada rotação fixa. Esse nome é devido ao fato que essa condição
corresponde à maior potência possível de ser desenvolvida para essa rotação, ou seja, a
maior carga que o motor pode fornecer. Alternativamente, posições intermediárias do
acelerador são denominadas cargas parciais do motor.
3.3.2 Eficiência global
O consumo de ar, portanto, é regulado pelo pedal do acelerador. A partir da vazão
de ar, a ECU calcula a vazão de combustível a ser injetada. Assim, uma maneira de se
medir a eficiência do veículo é pela relação entre a vazão de ar consumida e a vazão
teórica de ar que poderia ser consumida, como na eficiência volumétrica. Uma outra
maneira de se expressar a eficiência do veículo é pela razão entre a potência útil e aquela
entregue pelo combustível.
A potência útil do veículo é a taxa com que ele realiza trabalho útil. O trabalho
útil de um veículo é girar os seus pneus. A força de atrito, entre o solo e os pneus do
veículo, impede que eles girem livremente, e impulsiona o veículo para a frente. Assim,
para se medir a potência útil desenvolvida pelo veículo basta medir o atrito entre os pneus
e o solo e a velocidade do veículo. Um dinamômetro pode realizar essa medição; é
possível medir a força que o dinamômetro precisa exercer para manter os pneus do
veículo em uma rotação constante. A potência útil instantânea desenvolvida pelo veículo
é então o produto dessa força exercida pelo dinamômetro pela velocidade do veículo.
Já a máxima energia química que o combustível pode liberar na combustão é dada
pelo produto entre a massa de combustível consumida pelo motor por ciclo (𝑚𝑐) e o poder
calorífico do combustível. Alternativamente, pode-se definir uma “Potência química”
disponibilizada pelo combustível. Basta multiplicar pelo poder calorífico não a massa de
combustível consumido por ciclo, mas sim a vazão horária deste (�̇�𝑐).
A relação entre a massa de combustível consumida por ciclo do motor e a vazão
mássica total de combustível é dada pela equação 3-6.
�̇�𝑐 =
𝑚𝑐 ∗ 𝑁
2
(3.6)
O poder calorífico do combustível define a sua densidade energética. Ele pode ser
determinado em um teste padronizado, no qual uma massa conhecida de combustível é
completamente oxidada por ar. A energia térmica liberada pela combustão é absorvida
por um calorímetro, enquanto os produtos da combustão resfriam até a temperatura
original dos reagentes.
Combustíveis que possuem hidrogênio na sua composição formam água como um
dos produtos da sua combustão completa. Assim, o valor da energia liberada pela reação,
e, portanto, a própria definição de Poder Calorífico, depende se a água formada está no
estado líquido ou gasoso. Assim, define-se Poder Calorífico Superior (PCS) a energia
20
liberada quando a água, ao fim da combustão, é condensada até o estado líquido. O Poder
Calorífico Inferior (PCI), por sua vez, é medido quando a água se encontra no estado
gasoso ao fim da combustão. Esses dois valores estão, portanto, relacionados pela
equação 3-7 (BRUNETTI, 2014).
𝑃𝐶𝑆 = 𝑃𝐶𝐼 + 𝑚𝐻2𝑂 ∗ ℎ𝑣𝑎𝑝,𝐻2𝑂 (3.7)
Na equação 3-7, ℎ𝑣𝑎𝑝,𝐻2𝑂 representa a entalpia necessária para vaporizar uma
unidade de massa de água, na pressão e temperatura da reação, padronizadas. 𝑚𝐻2𝑂 é a
massa de água produzida pela combustão total de uma unidade de massa de combustível.
É costume padrão do estudo de motores de combustão interna o uso do Poder Calorífico
Inferior, já que produzem, na quase totalidade dos casos, água no estado gasoso como
produto da combustão.
Uma vez conhecidas a potência útil desenvolvida pelo veículo (𝑃𝑢), o consumo
horário de combustível, e o poder calorífico inferior do combustível, é possível calcular
a eficiência global do veículo por meio da equação 3-8 (HEYWOOD, 1988). Embora
HEYWOOD (1988) chame essa relação de "eficiência de conversão do combustível",
este trabalho usa a nomenclatura de MELO (2012) e MACHADO (2012), "eficiência
global".
𝜂𝑔 =
𝑃𝑢
�̇�𝑐 ∗ 𝑃𝐶𝐼
(3.8)
3.3.3 Eficiência mecânica
Nem todo o trabalho liberado na combustão do combustível está disponível para
os pneus sob a forma de energia útil. A porção da energia liberada pelo combustível
dissipada no próprio motor é chamada de “Potência Total de Fricção” (𝑃𝑡𝑓). Uma vez
conhecidas a potência total de fricção e potência útil desenvolvida pelo veículo, a
eficiência mecânica fica definida conforme a equação 3-9 (HEYWOOD, 1988).
𝜂𝑚 =
𝑃𝑢
𝑃𝑢 + 𝑃𝑡𝑓
(3.9)
A energia liberada pelo combustível é dissipada de várias maneiras diferentes, o
que diminui a potência útil disponível. A potência total de fricção é uma fração
suficientemente grande da energia liberada pelo combustível para que o tópico seja de
grande importância no design dos motores. Perdas por fricção afetam, entre outros, o
torque útil máximo e o consumo de combustível diretamente. Uma grande parte das
perdas por fricção aparecem como calor no fluido de arrefecimento e no óleo lubrificante,
que precisam ser removidos no refrigerador e/ou por um sistema de resfriamento do óleo.
Perdas por fricção, portanto, influenciam o tamanho dos sistemas de refrigeração dos
motores, e o design do motor como um todo.
A potência total de fricção é definida por HEYWOOD (1988) como a diferença
entre a energia liberada pelo combustível e a potência útil que as rodas do veículo
desenvolvem para movê-lo. É considerado que o combustível libera energia ao fluido
21
ativo apenas durante os tempos de compressão e expansão. A energia liberada pelo
combustível é gasta de várias maneiras diferentes.
1) 𝑃𝑝: Para admitir uma nova mistura através do sistema de admissão, e para expelir
os gases queimados do cilindro para fora através do sistema de exaustão. Essa
parte é usualmente chamada de potência de bombeamento (Pumping Work), e será
chamada nesse trabalho de 𝑃𝑝.
2) 𝑃𝑓: Para vencer a resistência ao movimento relativo de todas as partes móveis do
motor. Isso inclui a fricção entre os anéis e a saia do pistão e a parede do cilindro;
fricção entre o pistão a biela, e entre esta e o virabrequim; fricção entre o
virabrequim e o eixo de comando de válvulas; fricção no próprio sistema de
válvulas em si; fricção nas engrenagens, correias e polias para movimentar os
acessórios do motor. Esta parte será representada pelo símbolo 𝑃𝑓.
3) 𝑃𝑎: Para movimentar os acessórios do motor. Esses podem incluir, entre outros: a
ventoinha do radiador, a bomba do fluido de arrefecimento, a bomba de óleo, a
bomba de combustível, o alternador, e etc. Essa parte será representada pelo
símbolo 𝑃𝑎.
4) 𝑃𝑡+𝑟𝑑: Para vencer a fricção no sistema de transmissão, a resistência ao rolamento
dos pneus, e a resistência do ar. No presente trabalho, a resistência ao rolamento
dos pneus traseiros e a resistência do ar não serão analisadas, pois o veículo é de
tração dianteira e os testes realizados foram com o veículo parado sobre o
dinamômetro. Assim, essa última parte da energia fornecida pelo combustível,
gasta no rolamento dos pneus dianteiros e no sistema de transmissão será
representada pelo símbolo 𝑃𝑡+𝑟𝑑.
Toda essa energia é, no fim, dissipada como calor. O valor da potência total de
fricção, 𝑃𝑡𝑓 , aumenta conforma aumenta a carga no motor, e também conforme aumenta
a velocidade do motor. Ele pode ser calculado como a soma de seus componentes
individuais, conforme a equação 3-10, caso eles possam ser determinados ou estimados
individualmente (HEYWOOD, 1988):
𝑃𝑡𝑓 = 𝑃𝑝 + 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎 + 𝑃𝑡+𝑟𝑑 (3.10)
3.3.3.1 Determinação da resistência ao rolamento dos pneus
Uma parte da potência liberada pelo combustível é perdida na resistência ao
rolamento dos pneus e para vencer o atrito do sistema de transmissão (𝑃𝑡+𝑟𝑑). Essa
potência depende da velocidade com que giram os pneus e o sistema de transmissão.
Portanto, é diretamente proporcional à velocidade do veículo, como mostrado na equação
3-11 (HEYWOOD, 1988). Nessa equação, M é a massa do veículo, g a aceleração da
gravidade, V a velocidade do veículo e 𝐶𝑟 um coeficiente determinado empiricamente.
𝑃𝑡+𝑟𝑑 = 𝐶𝑟 ∗ 𝑀 ∗ 𝑔 ∗ 𝑉 (3.11)
É interessante notar que a potência necessária para vencer a resistência ao
rolamento dos pneus e a fricção no sistema de transmissão é proporcional à velocidade
do veículo, e não à sua aceleração. Assim, ela não depende da posição do pedal do
22
acelerador. 𝑃𝑡+𝑟𝑑 é a mesma para um veículo em carga máxima (WOT) ou em
desaceleração livre (pedal do acelerador não pressionado), contanto que a velocidade seja
a mesma nos dois casos.
Para se determinar 𝑃𝑡+𝑟𝑑 em um ensaio de dinamômetro, o sistema de transmissão
deve ser desconectado do motor, ou seja, o veículo deve ser posto em ponto morto. A
força medida pelo dinamômetro corresponde então apenas à necessária para vencer a
resistência ao rolamento dos pneus e a fricção no sistema de transmissão.
3.3.3.2 Determinação da potência total de fricção
Em um ensaio de veículo num dinamômetro de chassi, é difícil a medição das
potências de bombeamento (𝑃𝑝), de fricção interna no motor (𝑃𝑓) e devida aos acessórios
(𝑃𝑎) individualmente. Por isso é comum a realização de um Motoring Test, que estima de
uma vez a potência total de fricção 𝑃𝑡𝑓 (= 𝑃𝑡+𝑟𝑑 + 𝑃𝑝 + 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎) (HEYWOOD, 1988).
Neste teste o dinamômetro fornece a potência necessária para a rotação das rodas
e do motor do veículo, que possui a sua alimentação de combustível e o sistema de ignição
desconectados. Como não há ocorrência de combustão, o motor não produz potência.
Assim, a potência medida pelo dinamômetro corresponde à necessária para manter o
conjunto formado por pneus, sistema de transmissão, virabrequim e pistões em rotação
constante, além dos acessórios conectados ao virabrequim e da potência necessária para
bombear ar para os cilindros. É necessário, porém, definir qual é a relação entre a potência
medida em um teste Motored e numa situação “real”, isto é, com a ocorrência de
combustão.
A razão para isso é que podem ocorrer diferenças entre a potência medida dessa
maneira e a “real” potência total de fricção. A primeira diferença é na energia gasta na
fricção dos componentes do motor, 𝑃𝑓. A pressão e temperatura dentro do cilindro são
menores do que as produzidas pela combustão. Enquanto por um lado a menor
temperatura faz aumentar a folga entre o cilindro e pistão, diminuindo a fricção, por outro
diminui a temperatura do óleo lubrificante, o que aumenta a sua viscosidade, aumentando
a fricção. No geral, não há uma tendência clara da diferença da fricção em um teste tipo
Motored e um ensaio regular, com a combustão em funcionamento (HEYWOOD, 1988).
Por isso, este trabalho considerou-a igual nas duas situações.
Os acessórios do veículo, como a bomba de óleo lubrificante e a bomba do fluido
de arrefecimento, estão conectados ao virabrequim, do qual retiram a potência necessária
ao seu funcionamento. Assim, ao aplicar uma rotação ao virabrequim, o dinamômetro
causa o funcionamento dos acessórios do motor também. Essa energia consumida por
esses componentes é análoga à parcela de 𝑃𝑎, a potência consumida pelos acessórios. Ela
não é muito diferente da potência dos acessórios “real”, isto é, a que ocorre quando há
combustão nos cilindros. A razão para isso é que ela é uma função da quantidade e do
tipo de acessórios presentes, e não nas condições dentro do cilindro.
A maior diferença entre um ensaio deste tipo (Motored) e a condição real de uso
se dá na potência necessária para bombear o ar. Como não há combustível, as
23
características físico-químicas do fluido sendo bombeado se alteram. Além disso, devido
à diferença da composição do fluido sendo admitido pelos cilindros, uma mesma posição
do acelerador pode provocar vazões diferentes de ar nas duas situações (Motored e com
combustão). Por fim, a posição do acelerador afeta a vazão de ar de forma diferente nestas
situações.
ROSENBERG (1982) propôs uma relação entre 𝑃𝑝 e a soma das potências de
bombeamento, de fricção e dos acessórios (𝑃𝑝 + 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎), e como essa relação varia com
a variação da posição do acelerador. A variação dessa relação está mostrada na Figura
3-9 (ROSENBERG, 1982).
Figura 3-9 - Relação entre as perdas de bombeamento, fricção e acessórios
A porcentagem da carga no motor, na Figura 3-9, é a razão entre a potência útil
produzida pelo veículo e a potência útil produzida na mesma rotação, mas em WOT.
Logo, a figura mostra a relação 𝑃𝑝
𝑃𝑝+𝑃𝑓+𝑃𝑎 para diferentes posições do pedal do acelerador:
quanto menos se pressiona o acelerador, menos inclinada à passagem de ar fica a
borboleta, o que aumenta a potência necessária para bombear o ar.
A curva da figura foi bem ajustada (𝑅2 = 0,993) pelo polinômio de 4ª ordem da
equação 3-12. Nessa equação, %𝑐 representa a porcentagem da carga no motor, e 𝑓
representa a função que ajusta a relação 𝑃𝑝
𝑃𝑝+𝑃𝑓+𝑃𝑎 na Figura 3-9.
𝑓 = −1,347(%𝑐)4 + 3,817(%𝑐)3 − 3,394(%𝑐)2 + 0,743(%𝑐) + 0,443 (3.12)
24
Com essa equação, é possível realizar um ensaio Motored apenas em WOT, por
exemplo. Da potência total medida (𝑃𝑡𝑓), descontar a parcela referente às rodas e à
transmissão (𝑃𝑡+𝑟𝑑), e do resultado (𝑃𝑡𝑓 − 𝑃𝑡+𝑟𝑑 = 𝑃𝑝 + 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎) descobrir quanto é a
relação entre 𝑃𝑝 e 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎. Pela equação 3-12, para WOT, 26,2% do total 𝑃𝑝 + 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎
corresponde à perda por bombeamento (𝑃𝑝) e os outros 73,8% correspondem à soma entre
a perda por fricção e dos acessórios (𝑃𝑓 + 𝑃𝑎). Assim é possível estimar a perda por
bombeamento (𝑃𝑝) para as outras situações de carga no motor, dado que as perdas de
fricção e dos acessórios (𝑃𝑓 + 𝑃𝑎) podem ser consideradas independentes da carga do
motor.
3.3.4 Eficiência térmica
Por fim, nem toda a energia química presente no combustível consumido é
liberada no processo de combustão. A energia que é de fato transferida pelo combustível
para o fluido ativo durante os tempos de compressão e expansão é definido como o
trabalho indicado do motor, 𝑊𝑖,𝑐. Esse trabalho é definido, para o ciclo Otto padrão-ar,
como a diferença entre o trabalho realizado pelo fluido ativo na expansão e o trabalho
realizado sobre o fluido ativo na compressão, Figura 3-2. Para um motor Otto real, por
analogia, é definido como o trabalho realizado entre a o fechamento da válvula de
admissão e abertura da válvula de exaustão, como pode ser melhor analisado na Figura
3-10.
25
Figura 3-10 - Gráfico PxV de um motor Otto 4 tempos (MORAN & SHAPIRO,
2004, adaptada)
A Figura 3-10 representa a aproximação da Figura 3-2 para um motor Otto real 4
tempos. É possível ver os momentos de fechamento e abertura das válvulas de admissão
e escape, bem como os quatro tempos do motor e o momento da ignição. 𝑊𝑖,𝑐 só pode ser
corretamente calculado pela integral indicada na equação 3-13 cilindro (HEYWOOD,
1988), calculada no laço superior da Figura 3-10. Nessa equação, 𝑝 é a pressão e 𝑑𝑉, a
variação de volume. Quando calculada no laço inferior, a integral da equação 3-13
informa o trabalho de bombeamento para aquele cilindro e ciclo.
𝑊𝑖,𝑐 = ∫ 𝑝 𝑑𝑉
(3.13)
O nome da quantidade 𝑊𝑖,𝑐, trabalho indicado por ciclo por cilindro, se deve à
maneira como ela era calculada, conforme explicado por BRUNETTI (2014). Os ciclos
PxV reais, a partir dos quais 𝑊𝑖,𝑐 é calculado, eram traçados por aparelhos denominados
“Indicadores de Pressão”. Esse aparelho é constituído por um êmbolo ligado ao cilindro
do motor, do qual faz continuamente a tomada de pressão. Através de um conjunto
mecânico simples, o êmbolo é conectado ao traçador, que risca um gráfico sobre um
tambor, cujo movimento é sincronizado com o do próprio cilindro do motor. A Figura
3-11 mostra esquematicamente o funcionamento desse aparelho. Porém, segundo
BRUNETTI (2014), essa instrumentação foi gradativamente substituída pelo “Indicador
Eletrônico de Pressões”, devido às suas limitações.
26
Figura 3-11 - Esquema de um indicador mecânico de pressões (BRUNETTI, 2014,
adaptada)
Como já discutido, é mais conveniente trabalhar com a potência indicada (𝑃𝑖) do
que com o trabalho indicado por ciclo por cilindro (𝑊𝑖,𝑐), como na equação 3-14
(HEYWOOD, 1988). Z corresponde ao número de cilindros do motor.
𝑃𝑖 =
𝑍 ∗ 𝑊𝑖,𝑐 ∗ 𝑁
2
(3.14)
A potência indicada pode ser calculada não só a partir do trabalho indicado,
equação 3-14. Como a definição do trabalho total de fricção é a diferença entre o trabalho
entregue ao fluido ativo do motor por ciclo e o trabalho útil, a potência indicada pode ser
calculada a partir da soma entre a potência total de fricção e a potência útil, equação 3-15
𝑃𝑖 = 𝑃𝑡𝑓 + 𝑃𝑢 = 𝑃𝑝 + 𝑃𝑓 + 𝑃𝑎 + 𝑃𝑡+𝑟𝑑 + 𝑃𝑢 (3.15)
A energia fornecida pelo combustível ao motor por ciclo não é totalmente liberada
como energia térmica pois a combustão real dentro do cilindro não é completa.
A combustão dentro do cilindro ocorre em temperaturas altas o suficiente para que
os gases queimados sofram dissociação; água (H2O) se separa em hidroxila (OH) e
hidrogênio (H), o dióxido de carbono (CO2) se separa em monóxido de carbono (CO) e
oxigênio (O), e o nitrogênio originário do ar atmosférico se combina com o oxigênio,
produzindo óxido de nitrogênio (NOx).
A combustão também não é completa devido ao efeito de quenching (extinção): a
parede do cilindro, mais fria do que os gases da combustão, causa a extinção abrupta da
combustão, devido ao resfriamento da frente de chama. Isso faz com que a mistura ar-
combustível próximo da parede não entre em combustão totalmente.
27
Outro efeito importante é aquele devido aos crevice volumes (volume de fenda).
A rosca aonde a vela é montada, o assento das válvulas de admissão e exaustão, e os
espaços atrás e entre os anéis são exemplos de crevice volumes. Nessas regiões, a frente
de chama não consegue se desenvolver completamente, ocasionando também combustão
incompleta.
Além disso, algumas das suposições numeradas na Tabela 3-1 não são verdadeiras
para os motores reais. A composição do fluido ativo não é constante no tempo, por
exemplo, e por isso a razão entre os seus calores específicos a pressão (𝑐𝑝) e volume (𝑐𝑣)
constantes (γ) não é constate. Na admissão o fluido ativo é uma mistura de ar atmosférico
e combustível vaporizado, e na expansão ele corresponde aos gases de exaustão. Além
disso, a combustão dura um tempo finito, e por isso não pode ser considerada como
ocorrendo de maneira isovolumétrica.
A eficiência térmica de um motor é dada então pela equação 3-16.
𝜂𝑡 =𝑃𝑖
�̇�𝑐 ∗ 𝑃𝐶𝐼=
𝑃𝑢 + 𝑃𝑡𝑓
�̇�𝑐 ∗ 𝑃𝐶𝐼 (3.16)
28
Capítulo 4: Procedimento Experimental
O programa Inovar-Auto, do governo federal, tem como objetivo estimular
projetos mais eficientes para os veículos fabricados no Brasil. Ele garante o desconto de
impostos de veículos que reduzam o seu consumo energético. Para se reduzir o consumo
energético dos veículos, é importante estudar como o veículo utiliza a energia fornecida
pelo combustível. É desejável que toda a energia seja usada para produzir potência útil,
porém isso não é possível.
A quantidade de veículos leves com motores Otto Flex no Brasil faz com que um
estudo focado nesse grupo seja interessante. Assim, este trabalho tem como objetivo
estudar as eficiências desse tipo de veículo, e como as condições operativas do veículo
impactam essas eficiências. Como pode ser visto na equação 4-1, a condição operativa e
as eficiências do veículo impactam diretamente a potência útil do veículo.
𝑃𝑢 = 𝜂𝑣 ∗ 𝜂𝑡 ∗ 𝜂𝑚 ∗ 𝜌𝑎 ∗ 𝑉𝑑 ∗𝑁
2 ∗ 𝜆∗
𝑃𝐶𝐼
(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 (4-1)
A equação 4-1 é obtida agrupando-se as equações 3-5, 3-8, 3-9 e 3-16, e é
mencionada em HEYWOOD (1988). Os três primeiros termos são as eficiências
volumétrica (𝜂𝑣), térmica (𝜂𝑡) e mecânica (𝜂𝑚) (a eficiência global, 𝜂𝑔, é o produto das
eficiências térmica e mecânica). 𝜌𝑎, a densidade do ar seco atmosférico, depende das
condições do ambiente no momento do teste. Para a homologação do veículo, a potência
útil é corrigida para condições padrão de 25°C e 99kPa de pressão atmosférica seca,
segundo a norma NBR-1585 (ABNT, 1996). 𝑉𝑑 é o volume deslocado pelos pistões a
cada rotação, um parâmetro do projeto do veículo.
Todos os outros parâmetros dependem da condição de operação do veículo. 𝑁 é a
rotação do motor, que depende da velocidade do veículo. 𝜆 é a razão ar-combustível
relativa, e depende da calibração da Unidade de Controle Eletrônica (Electronic Control
Unit, ECU). 𝑃𝐶𝐼, o poder calorífico inferior, e (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡, a razão ar-combustível
estequiométrica, dependem da seleção do combustível.
Assim, este trabalho estudou a influência das condições operativas sobre as
eficiências volumétrica (equação 3-5), global (equação 3-8), mecânica (equação 3-9) e
térmica (equação 3-16) de um veículo leve Otto Flex.
4.1 Veículo
Após a definição das eficiências a serem calculadas, foi definido um veículo a ser
ensaiado para esse trabalho. Foi selecionado um veículo leve do ciclo Otto Flex comum
na frota brasileira no ano de 2015. O veículo utilizado no experimento tinha 21.276 km
rodados no início do experimento. A Tabela 4-1 apresenta informações encontradas no
manual do proprietário, e que foram consideradas relevantes para este trabalho.
29
Tabela 4-1 - Dados gerais do veículo
Gasolina Etanol
Potência 53 kW (72 cv)
@ 5250 RPM
56 kW (76 cv)
@ 5250 RPM
Torque máximo 95 Nm (9,7 kgfm)
@ 3850 RPM
104 Nm (10,6 kgfm)
@ 3850 RPM
Aceleração 0 – 100 km/h 13,5 s 13 s
Velocidade máxima 165 km/h 167 km/h
Número de cilindros, cilindrada 4 cilindros, 999 𝑐𝑚3
Razão de compressão 13:1
Válvulas, comando 2 válvulas por cilindro, SOHC
Velas de ignição Bosch F5DPP202
Transmissão Manual de 5 marchas
Rotação de marcha lenta 900±50 RPM
Pneus 175/70R14
Tara em ordem de marcha 1022 kg (incluindo o condutor)
Comprimento 3899 mm
Largura com espelhos retrovisores 1874 mm
Altura em vazio 1464 mm
Espaço livre em relação ao solo 163 mm (sem carga)
4.2 Combustíveis
Após a definição do veículo, foram selecionados os combustíveis para o
experimento. Como os veículos Flex funcionam tanto com etanol quanto com gasolina,
foi decidido utilizar esses dois combustíveis nos ensaios.
A Tabela 4-2 apresenta as principais características dos combustíveis utilizados.
Estão apresentados também os testes padronizados que permitiram a obtenção das
propriedades mencionadas. Todos os testes foram realizados em um laboratório
especializado em ensaios de combustíveis.
A razão ar-combustível estequiométrica foi calculada a partir das porcentagens
mássicas de cada um dos três constituintes dos combustíveis, carbono, hidrogênio e
oxigênio. A metodologia para o cálculo está apresentada no Apêndice II.
30
Tabela 4-2 - Propriedades mais relevantes dos combustíveis utilizados
Propriedade Teste Etanol Gasolina
Massa específica ASTM D4052 803,3 kg/m³ 749,8 kg/m³
PCI ASTM D8409 25269 kJ/kg 38658 kJ/kg
% Carbono (massa) ASTM 5291 48,8% 75,6%
% Hidrogênio (massa) ASTM 5291 13,0% 13,5%
% Oxigênio (massa) ASTM 5622 38,2% 10,9%
Razão ar-combustível
estequiométrica (𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 - (Apêndice II) 8,43 12,86
Teor de etanol NBR 15531 95,0% 26,5%
As especificações a serem atendidas pelas gasolinas tipo A (sem a adição de etanol
anidro, não comercializada) e tipo C (com adição de etanol anidro e vendida nos postos
de abastecimento do país) são regulamentadas pela resolução n° 40 de 2013 da ANP
(ANP, 2013). As especificações a serem atendidas pelo etanol hidratado (etanol com em
torno de 5% de água, comercializado como combustível) e pelo etanol anidro (etanol com
em torno de 0,5% de água, não comercializado como combustível) são regulamentadas
pela resolução n° 19 de 2015 da ANP (ANP, 2015). O teor de etanol anidro na gasolina
tipo C varia sazonalmente, e atualmente é determinado pela portaria n° 75 de 2015 do
Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento (BRASIL – MINISTÉRIO DA
AGRICULTURA, PECUÁRIA E ABASTECIMENTO, 2015) como sendo de 27% em
volume.
É interessante notar que a massa específica do etanol está ligeiramente abaixo da
especificação, que é de 805,2 kg/m³, no mínimo, porém esse fator não foi considerado
como fonte de problema para o funcionamento do veículo. O teor de etanol do AEHC
utilizado se encontra abaixo do limite mínimo da especificação, 95,1%. O teor de etanol
da gasolina utilizada se encontra dentro da margem de erro da especificação, de 27±1%.
4.3 Bancada experimental
A Figura 4-1 mostra o diagrama esquemático do ensaio experimental, incluindo
toda a instrumentação utilizada. Nela estão indicadas as variáveis medidas e o
posicionamento dos sensores.
31
Figura 4-1 - Diagrama esquemático dos sensores e da aquisição de dados
A força e a velocidade instantâneas do veículo foram obtidas diretamente pela
instrumentação interna do dinamômetro. Tais informações eram enviadas ao terminal de
controle e de lá para o computador final, através de um módulo roteador WiFi.
Além das informações oriundas diretamente do dinamômetro, foram instalados no
motor do veículo mais quatro sensores. A Figura 4-2 detalha o posicionamento desses
sensores no motor: um medidor de vazão (1), um tacômetro (2), um sensor MAP
(Manifold Absolute Pressure, 3) e um sensor λ (4).
32
Figura 4-2 - Posicionamento dos sensores no motor (BRUNETTI, 2014,
adaptada)
Esses sensores enviavam os seus sinais para o sistema de aquisição de dados
Compact-Rio 9024, da National Instruments, conforme indicado na Figura 4-1. A
controladora pode ser visualizada na Figura 4-3.
Figura 4-3 - Controladora National Instruments Compact-Rio 9024
Os sinais analógicos vindos dos sensores eram transformados em digitais pela
controladora e enviados para o módulo roteador WiFi, que repassava para o computador
final para gravação.
No computador final os dados eram gravados em formato “.xls” pela programação
em LabVIEW. Trata-se de uma linguagem de computação gráfica, desenvolvida pela
33
National Instruments para facilitar a automação e a realização de medições. Ela realiza a
interface entre código e sensores, facilitando a aquisição e gravação dos dados obtidos.
Assim, foi escrito um código em LabVIEW, no computador final, que automatizava o
processo de gravação dos dados recebidos.
A Figura 4-4 apresenta um panorama do motor. É indicada a localização dos
sensores instalados no veículo e alguns dos elementos principais do motor. No veículo
testado o filtro de ar está diretamente acima do coletor de admissão do motor e por isto o
sensor MAP está encoberto. O detector do medidor de vazão é conectado em série na
linha de combustível, a qual termina nos injetores. Ele foi instalado por baixo do motor,
em um ponto de conexão favorável com a linha. O sensor λ foi instalado em um furo no
coletor de exaustão, atrás do radiador. O sensor indutivo do tacômetro encontra-se
conectado ao cabo de ignição da vela do primeiro cilindro.
Figura 4-4 - Panorama geral do motor
4.4 Descrição dos equipamentos
As seções seguintes apresentam um melhor detalhamento dos equipamentos
utilizados nesse trabalho. Todos eles pertencem ao laboratório onde o experimento foi
realizado.
4.4.1 Dinamômetro
O dinamômetro utilizado no experimento foi o AVL ZÖLLNER Chassiss Dyno
48’’ Compact 2WD. Consiste em um rolo, sobre o qual o veículo é posto, e um terminal
para interface e controle. O rolo possui sensores de força e velocidade, e essas duas
informações podem ser apresentadas no e/ou controladas pelo terminal. O veículo é posto
sobre o dinamômetro sobre o seu eixo de tração, e as rodas do seu eixo movido são presas
ao chão do laboratório, para evitar que o movimento do rolo arraste o veículo. Como
medida de segurança, o para-choque dianteiro do veículo também é amarrado.
34
A Figura 4-5 apresenta o terminal do dinamômetro. A partir dele, era possível
controlar a velocidade a que o veículo seria submetido. Os dados de força gerado pelas
rodas do veículo, e da velocidade do veículo eram comunicados ao terminal. A Tabela
4-3 apresenta uma seleção dos dados técnicos e de calibração do dinamômetro.
Tabela 4-3 - Dados do dinamômetro
Velocidade máxima 200 km/h
Força máxima 10000 N
Diâmetro do rolo 1219,2 mm
Acurácia da força medida 0,1% em toda a escala
Tolerância da velocidade medida 0,01% para velocidades maiores que 2 km/h
Figura 4-5 - Terminal de controle do dinamômetro
35
4.4.2 Medidor de vazão
O consumo de combustível foi medido pelo detector Yokogawa ROTAMASS 3-
Series RCCS30, em conjunto com o conversor Yokogawa ROTAMASS 3-Series
RCCF31. O instrumento mede o fluxo de massa utilizando o princípio da força de
Coriolis. Quando um fluxo de massa flui dentro de um tubo, e este tubo vibra em um eixo
perpendicular à direção de escoamento do fluxo, o fluxo sofre a ação da força de Coriolis.
Essa força causa uma deformação no tubo. Essa deformação é medida por sensores, sendo
posteriormente convertida em um sinal elétrico. Um desenho esquemático de um medidor
de vazão de Coriolis genérico está mostrado na Figura 4-6, para facilitar o entendimento
do seu funcionamento.
Figura 4-6 - Esquema de um medidor de vazão – Coriolis (BRUNETTI, 2014)
Para que o medidor pudesse medir o consumo de combustível, era necessário que
o fluxo de combustível passasse por ele. Assim, a linha de combustível foi desconectada
dos injetores e conectada na entrada do detector remoto do medidor. A Figura 4-7 mostra
o detector remoto do medidor de vazão ROTAMASS utilizado no experimento.
Devido ao modo de funcionamento do detector, o fluxo precisa passar em uma
direção determinada, indicada pela seta no topo do detector. Caso a linha de combustível
seja montada no detector de forma invertida, o consumo lido será negativo.
36
Figura 4-7 - Detector remoto do medidor de vazão ROTAMASS
Devido ao princípio da força de Coriolis, o detector mede o fluxo mássico
diretamente, não sendo necessário informar as propriedades do fluido a ser medido. O
fluxo mássico é convertido para um sinal elétrico no detector remoto. Esse sinal é enviado
ao conversor, mostrado na Figura 4-8. O conversor possui um visor, que permite a leitura
instantânea do valor do fluxo mássico. Alternativamente, o sinal elétrico pode ser enviado
a um dispositivo de gravação para análise posterior. Essa segunda alternativa foi a
utilizada nesse trabalho; o sinal era enviado à controladora Compact-Rio 9024.
37
Figura 4-8 - Conversor do medidor de vazão do ROTAMASS
A Tabela 4-4 apresenta uma seleção das informações técnicas mais relevantes
presente no manual do equipamento.
Tabela 4-4 - Dados Técnicos do Medidor de Vazão ROTAMASS
Detector Yokogawa ROTAMASS 3-Series RCCS30
Conversor Yokogawa ROTAMASS 3-Series RCCF31
Vazão máxima no detector 100 kg/h
Estabilidade ao redor do 0 0,005 kg/h
Amplitude da temperatura
de funcionamento
-10°C – 50°C
Acurácia da medição de
vazão 0,1% ∗ 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 +
𝐸𝑠𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑎𝑜 𝑟𝑒𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑒 0
𝑉𝑎𝑧ã𝑜∗ 100%
4.4.3 Sensor MAP
A determinação da pressão e da temperatura dentro do coletor de admissão foram
feitas utilizando-se um sensor MAP da Bosch, modelo 0 261 230 031. Sensores MAP (da
sigla em inglês Manifold Absolute Pressure) medem a pressão absoluta dentro do coletor
de admissão. O sensor usado nesse trabalho possuía um termômetro acoplado, o que
permite a medição da pressão e da temperatura absolutas dentro do coletor de admissão.
38
A Figura 4-9 mostra um desenho esquemático do funcionamento de um sensor
MAP. O elemento sensível do sensor é uma célula de força (Strain Gauge), que separa
duas câmaras. A câmara superior na figura contém vácuo. A câmara inferior está
conectada diretamente ao coletor de admissão por um tubo, e por isso está à mesma
pressão que ele. A diferença de pressão provoca uma deformação na membrana, o que
altera a sua resistência elétrica. Essa alteração na resistência elétrica altera a voltagem dos
terminais do sensor, o que pode ser lido como um sinal elétrico.
Figura 4-9 - Desenho esquemático de um Sensor MAP
O sensor MAP original do veículo, porém, não permitia uma leitura da pressão. A
razão para isso é que ele é de código fechado, ou seja, não é se sabe a relação entre a
voltagem indicada pelo sensor e a pressão no coletor de admissão. Assim, foi decida a
instalação de um sensor MAP adicional, próximo ao sensor original do veículo. O sinal
em Volts desse sensor podia ser lido e transformado em uma medida de pressão, enquanto
os dados do sensor original do veículo eram usados pela ECU para o seu funcionamento
normal.
4.4.4 Sensor lambda
O sensor lambda mede a concentração de oxigênio dos gases da exaustão. Existem
dois tipos de sensores, os de banda estreita (narrow band) e os de banda larga (wide band).
Os de banda estreita são mais simples, e por isso mais baratos; os de banda larga, mais
complexos e caros.
O sensor lambda de banda estreita é formado por um eletrólito cerâmico, coberto
por platina nas superfícies interior e exterior. A superfície interior está em contato com o
ar externo, e a exterior com os gases de escape. A temperaturas acima de 300°C (como
as tipicamente encontradas no escapamento de um veículo), o eletrólito cerâmico torna-
se condutor e pode gerar uma carga. Quando a mistura é rica (menos ar do que o
necessário para realizar a combustão completa do combustível admitido, 𝜆 < 1) há pouco
oxigênio nos gases de escape. Isso cria um grande diferencial entre a concentração de
39
oxigênio no interior e no exterior, fazendo com que íons de oxigênio viagem pelo
eletrólito, criando uma tensão entre os eletrodos. Quando a mistura é pobre (excesso de
ar, 𝜆 > 1), o aumento do teor de oxigênio nos gases de escape elimina essa diferença de
potencial, fazendo a tensão cair para perto de zero. A Figura 4-10 ilustra um sensor
lambda banda estreita, montado no cano do escapamento.
Figura 4-10 - Sensor lambda banda estreita esquemático (BRUNETTI, 2014,
adaptado)
O sensor lambda banda larga, por sua vez, não informa apenas se a mistura no
escapamento está rica (𝜆 < 1) ou pobre (𝜆 < 1). Esse tipo de sensor possui uma resposta
linear a uma extensão maior de valores de 𝜆. A sua construção se dá ao redor de uma
“câmara de difusão”, assim nomeada por BOWLING & GRIPPO (2004). Essa câmara
está separada dos gases do escapamento por um material poroso, que, sob a aplicação de
uma corrente, permite a passagem de oxigênio. Dentro da câmara de difusão há um sensor
lambda de banda estreita. O gás do escapamento pode entrar na câmara através de um
pequeno furo no meio do material poroso. Um desenho esquemático de um sensor lambda
banda larga pode ser visualizado na Figura 4-11.
40
Figura 4-11 - Sensor lambda banda larga esquemático (BOWLING & GRIPPO,
2004, adaptada)
Quando o gás do escapamento é pobre, há oxigênio em excesso. O sinal do sensor
banda estreita ativa a passagem de corrente dentro do material poroso. Com a passagem
de corrente, o material poroso começa a funcionar como uma bomba, removendo
oxigênio de dentro da câmara, até que seja alcançado dentro dela um equilíbrio (𝜆 = 1),
informado pelo sensor banda estreita. Quando o gás do escapamento é rico, há deficiência
de oxigênio dentro da câmara de difusão. O sinal do sensor lambda banda estreita ativa a
passagem de corrente no material poroso no sentido inverso. Na falta de oxigênio no gás
do escapamento, o material poroso estimula e eletrólise da água e do dióxido de carbono
presentes no gás.
A corrente no material poroso necessária para manter o equilíbrio (𝜆 = 1) dentro
da câmara de difusão é o sinal do sensor lambda banda estreita. A sua vantagem sobre o
sinal de um sensor banda estreita é a sua maior linearidade em uma faixa maior de 𝜆.
Enquanto a saída de um sensor banda estreita é calibrada para coincidir com 𝜆 = 1 apenas
em uma faixa estreita de voltagens, e retornar apenas valores de “mistura rica” ou
“mistura pobre” fora dela, a saída de um sensor banda larga é uma faixa de corrente
elétrica mais ampla. Isso pode ser visualizado na Figura 4-12.
41
Figura 4-12 - Sinal de saída típico dos sensores lambda tipo banda larga e
estreita
Embora o veículo já possuísse um sensor lambda instalado, este era do tipo banda
estreita, e, assim como o sensor MAP, não permitia a aquisição dos dados medidos, por
ser de código fechado. Por isso foi decido pela instalação de um sensor extra, do tipo
banda larga. O sensor instalado foi o BOSCH LSU 4.9. A Tabela 4-5 (BOSCH, 2015)
apresenta alguns dados técnicos selecionados do manual do sensor, e a Figura 4-13 mostra
uma imagem do modelo utilizado. Enquanto o sensor original do veículo garantia o
funcionamento, o sensor BOSCH enviava o seu sinal à controladora Compact-Rio,
através do módulo lambda ETAS ES630, mostrado na Figura 4-14.
Tabela 4-5 - Dados técnicos do sensor lambda BOSCH LSU 4.9
Amplitude de λ 0,65 a ∞
Máxima temperatura dos gases de escape 930°C
Acurácia em λ=0,8 0,010
Acurácia em λ=1 0,007
Acurácia em λ=1,7 0,050
42
Figura 4-13 - Sensor lambda Bosch LSU 4.9 (BOSCH, 2015)
Figura 4-14 - Módulo lambda ETAS ES630
4.4.5 Tacômetro
Para a medição da velocidade de rotação do motor, foi utilizado o tacômetro
SmartTach Universal Speed Measurement Tool, da ATI – Accurate Technologies, Inc.
O seu princípio de funcionamento está baseado na detecção da corrente elétrica
viajando no fio de ignição. Como já abordado na seção 3.2 (Componentes do Motor Otto
4 Tempos Real), a vela é responsável por causar a ignição da mistura ar-combustível. A
ignição ocorre devido a uma faísca entre os eletrodos da vela. A energia necessária para
a faísca é fornecida pela bateria do veículo, e o momento da ignição é comandado pela
ECU. Em um motor Otto 4 tempos, a vela produz uma faísca a cada duas rotações do
43
virabrequim do motor. Assim, a frequência com que há passagem de corrente no fio da
vela é metade da frequência de rotação do virabrequim.
A passagem de corrente no fio de ignição é detectada por um sensor indutivo,
conforme mostrado na Figura 4-15. Quando corrente elétrica passa em um fio, o campo
magnético ao redor dele é alterado. Essa alteração é captada pelo sensor, que envia o sinal
ao módulo do SmartTach, Figura 4-16. A Tabela 4-6 apresenta uma seleção de dados
técnicos do SmartTach, conforme consultados no manual.
Figura 4-15 - Detalhe do sensor indutivo do tacômetro ao redor do cabo de
ignição
44
Figura 4-16 - Módulo do tacômetro SmartTach
Tabela 4-6 - Dados técnicos do tacômetro SmartTach
Acurácia da medição de rotação 5 RPM
Temperatura máxima de funcionamento 50 °C
Máxima voltagem no sensor indutivo 1000 V
Máxima velocidade de rotação medida 10000 RPM
4.4.6 Termo-higrômetro
As condições do ar dentro do laboratório foram determinadas com o auxílio do
Termo-higrômetro Minipa MTH-1362. Trata-se de um aparelho capaz de informar
temperatura, umidade relativa, ponto de orvalho e temperatura de bulbo úmido. Para as
aplicações do experimento, porém, apenas a temperatura e a umidade relativa foram
utilizadas.
A partir das informações de temperatura, umidade relativa e pressão barométrica
é possível determinar a densidade do ar seco no ambiente, que é utilizada no cálculo da
eficiência volumétrica (equação 3-5). A metodologia utilizada neste trabalho para o
cálculo da densidade do ar está apresentada no Apêndice I, e segue a metodologia
apresentada por MACHADO (2012).
A umidade relativa e a temperatura foram anotadas ao início e ao fim do
experimento com cada combustível. As informações de amplitude, resolução e acurácia
dos dados anotados estão mostradas na Tabela 4-7. A tabela apresenta também os valores
45
anotados para os experimentos. A Figura 4-17 mostra o modelo do termo-higrômetro
utilizado no experimento.
Tabela 4-7 - Informações do termo-higrômetro e condições ambiente
Amplitude da temperatura 0 – 60 °C
Amplitude da umidade relativa 0 – 100%
Acurácia da temperatura ±(0,1%+1°C)
Acurácia da umidade relativa ±2,5%
Começo do teste Fim do teste
Condições
ambientais
Etanol 23,3 °C; 58,0% UR 25,3 °C; 52,9% UR
Gasolina 24,1 °C; 56,3% UR 25,9 °C; 51,4% UR
Figura 4-17 - Imagem do termo-higrômetro Minipa MTH-1362 (MINIPA, 2014)
4.5 Matriz de testes
Após a definição das eficiências a serem medidas e da seleção do veículo a ser
ensaiado, foram definidas as condições de operação a serem testadas. Primeiramente
foram escolhidos os combustíveis para os testes. Como os veículos Otto Flex brasileiros
são adaptados para funcionarem com qualquer mistura de etanol hidratado e gasolina
brasileira (E27, com 27% em volume de etanol anidro), esses dois combustíveis foram
selecionados para os testes.
A seguir, foram definidas as condições nas quais o veículo seria ensaiado com
cada combustível. Foram selecionadas 5 velocidades e 5 posições do pedal do acelerador.
As 25 combinações possíveis dessas duas variáveis formam a chamada matriz de testes
dos ensaios regulares. Para a correta definição das eficiências mecânica e térmica,
46
conforme abordado na seção 3.3.3, foram realizados dois testes auxiliares, do tipo
Motored. No primeiro, o veículo foi ensaiado desengrenado, e foi determinada a potência
perdida devido à resistência ao rolamento dos pneus e do sistema de transmissão (𝑃𝑡+𝑟𝑑).
No segundo, o veículo foi ensaiado engrenado e em com o acelerador totalmente
pressionado (WOT), e assim foi possível determinar a potência total de fricção (𝑃𝑡𝑓). Uma
vez conhecida 𝑃𝑡𝑓 para a condição de WOT, foi possível estimar a potência total de
fricção para as outras condições de abertura da borboleta, utilizando a relação proposta
por ROSENBERG (1982), equação 3-12.
A determinação das velocidades a serem testadas foi feita com base na norma
NBR-7024 (ABNT, 2010). Essa norma prescreve o método para medição do consumo de
combustível de veículos leves (veículos com no máximo 3.865 kg) em dois ciclos de
condução desenvolvidos em dinamômetro de chassi. Esses ciclos correspondem a um
perfil de velocidades no tempo que simulam o uso do veículo no trânsito urbano e em
estrada. Em torno de um terço (32%) do tempo do ciclo urbano e metade do ciclo de
estrada (49,6%) se encontram entre 40 e 80 km/h. Por isso, foram testadas velocidades de
40 a 80 km/h em incrementos de 10 km/h.
Testes prévios, além da experiência dos engenheiros do CENPES com o veículo
testado, sugeriram a utilização da 3ª marcha para a faixa de velocidades escolhida. A
razão para isso é que essa faixa de velocidades, quando o veículo está na 3ª marcha,
corresponde a uma faixa de rotações acima da rotação de marcha lenta (~900 RPM) e
abaixo da rotação máxima recomendada (5.500 RPM). Por fim, as velocidades de 60 e 80
km/h correspondem a rotações do motor (3.875 e 5.162 RPM) próximas das rotações de
torque máximo e potência máxima (3.850 e 5.250 RPM), respectivamente, segundo
informado pelo manual do veículo.
A posição do acelerador foi determinada de maneira indireta. Como já explicado,
a inclinação da borboleta, no sistema de ar do motor, é controlada pelo pedal do
acelerador. A posição da borboleta controla a perda de carga no escoamento do ar
admitido, o que determina a pressão absoluta no coletor de admissão (MAP). A máxima
pressão MAP ocorre quando o veículo está em WOT (a máxima carga do motor, dada
uma velocidade constante do veículo) e é próxima da pressão atmosférica. A menor
pressão ocorre quando o acelerador não está pressionado, e a 80 km/h o valor da pressão
MAP foi de aproximadamente 31 kPa. De forma a criar uma faixa de pressões MAP com
intervalos igualmente espaçados, foram selecionados os valores de 40 a 100 kPa, em
incrementos de 15 kPa.
Finalmente, após a definição da matriz de testes, o veículo foi instrumentado. A
definição dos sensores necessários ao ensaio foi feita baseado nas variáveis requeridas
para os cálculos das eficiências (equações 3-5, 3-8, 3-9, e 3-16). A Figura 4-18 ilustra
esquematicamente a concepção do experimento.
47
Figura 4-18 - Fluxograma do procedimento experimental
A matriz de teste, portanto, corresponde às combinações dos combustíveis
selecionados, das velocidades do veículo e das pressões MAP, conforme a Tabela 4-8.
Tabela 4-8 - Matriz de testes
Combustíveis utilizados Gasolina e etanol hidratado
Velocidades testadas (km/h) 40, 50, 60, 70 e 80
Pressões no coletor de admissão testadas (kPa) 40, 55, 70, 85 e WOT (~100)
Para cada velocidade testada, o condutor pressionava o pedal do acelerador de
modo a manter a pressão MAP aproximadamente constante e ao redor das pressões a
serem testadas, por em torno de 30 segundos cada uma. O tempo da mudança da posição
do acelerador era informado por um operador dentro da sala de controle do laboratório,
que monitorava o terminal de controle do dinamômetro e o computador final de gravação.
Uma vez informado do momento da mudança, o condutor pressionava o acelerador de
modo a alcançar a próxima pressão MAP a ser testada. Para informar a pressão MAP em
tempo real ao condutor, foi instalado um monitor em frente ao pára-brisa do veículo, que
mostrava a mesma imagem do computador final.
Uma vez testados todos os valores de pressão MAP, a próxima velocidade a ser
ensaiada era introduzida pelo operador no terminal de controle do dinamômetro. A
velocidade do veículo era controlada pelo dinamômetro, de modo a mantê-la constante.
A Figura 4-19 ilustra um diagrama da sequência dos ensaios realizados. Os testes
com Etanol Hidratado foram realizados na parte da manhã do dia 13 de novembro de
2015, e os testes com gasolina na parte da tarde do mesmo dia.
48
Figura 4-19 - Diagrama da sequência de ensaios realizados
49
Capítulo 5: Resultados e Discussões
Nesse capítulo serão abordados os resultados encontrados. A partir dos dados
fornecidos pelos sensores instalados no veículo, as eficiências volumétrica, global,
mecânica e térmica foram calculadas, segundo as equações 3-5, 3-8, 3-9, e 3-16.
Foi medida a pressão no coletor de admissão (pressão MAP), que está diretamente
relacionada com a carga no motor, conforme explicado no capítulo 4. A título de exemplo,
está apresentada na Figura 5-1 o resultado da variação da pressão MAP no tempo durante
o experimento com etanol, a 40 km/h. Os ressaltos na figura representam os momentos
em que o condutor foi instruído a aumentar a força no pedal do acelerador, provocando
um maior ângulo de abertura da borboleta e, consequentemente, uma menor perda de
carga no escoamento do ar admitido. A definição dos períodos de pressão MAP constante
foi feita visualmente, após a realização dos ensaios. Esses períodos estão assinalados na
figura pelas linhas verticais.
Figura 5-1 – Exemplo da pressão MAP: experimento com etanol, 40km/h
Para o exemplo apresentado, percebe-se visualmente que o período entre 17,5 e
49 segundos correspondeu ao intervalo no qual o condutor buscou manter a pressão MAP
constante ao redor de 40 kPa. Assim, foi tomada a média para cada umas das variáveis
medidas entre 17,5 e 49 segundos. Com esses valores então, foram calculadas as
eficiências para a condição de 40 kPa de pressão MAP, 40 km/h e etanol hidratado. As
eficiências para 55 kPa de pressão MAP, 40 km/h e etanol hidratado foram calculadas
com as médias das variáveis medidas entre 56,5 e 93 segundos, e assim sucessivamente.
Devido à dificuldade de se manter a pressão MAP perfeitamente constante durante
o experimento, e também devido à imprecisão do medidor, as médias da pressão MAP
não correspondem exatamente aos valores propostos na matriz de teste. A variabilidade
natural da pressão MAP pode ser visualizada na Figura 5-2. Esta figura apresenta a
50
pressão MAP para o experimento com etanol a 40 km/h no intervalo entre 17 e 49
segundos. Durante esse período, a média da pressão MAP foi de 39,7 kPa.
Figura 5-2 - Pressão MAP, ensaio com etanol hidratado, 40 km/h
As seções 5.1 a 5.4 apresentarão os resultados das eficiências calculadas, e
discutirão as tendências observadas. O apêndice III faz uma análise do cálculo das
incertezas experimentais, e o apêndice IV apresenta as médias das variáveis medidas em
cada uma das condições de operação, os valores calculados das eficiências e suas
incertezas.
5.1 Eficiência Volumétrica
As Figura 5-3 a Figura 5-7 mostram a influência da pressão absoluta no coletor de
admissão (a pressão MAP) sobre a eficiência volumétrica para cada uma das velocidades
testadas. Além disso, é possível ver também como o combustível utilizado altera o valor
da eficiência.
Nas figuras, a abscissa indica o valor da pressão MAP média durante o
experimento. Devido à variabilidade experimental, os valores da pressão não
correspondem exatamente aos valores da matriz de teste. Entretanto, a comparação das
tendências observadas ainda assim é válida.
Os valores da incerteza expandida da eficiência volumétrica dependem do próprio
valor da eficiência volumétrica, e, por isso, as barras de erros apresentadas nos gráficos
não são homogêneas. Uma discussão mais aprofundada sobre esse aspecto é feita no
apêndice IV. Os valores da incerteza expandida da eficiência volumétrica para o
experimento realizado ficaram entre 1% (em média, nas condições de 40 kPa de pressão
MAP) e 3% (em média, nas condições de WOT).
51
Figura 5-3 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios a 40 km/h
52
Figura 5-4 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios a 50 km/h
Figura 5-5 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios a 60 km/h
53
Figura 5-6 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios a 70 km/h
Figura 5-7 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios a 80 km/h
Como pode ser analisado nas Figura 5-3 a Figura 5-7, em apenas 6 das 25
condições testadas o etanol apresentou eficiência volumétrica média maior que a gasolina.
Esse resultado é o contrário do encontrado por COSTA & SODRÉ (2011) e BALKI &
SAYIN (2014), mas o mesmo encontrado por PINTO & NADAI (2008).
PINTO & NADAI (2008) explicaram a diferença no comportamento da eficiência
volumétrica pelo maior consumo de combustível com etanol do que com gasolina. A
54
Figura 5-8 mostrada a razão entre o consumo mássico de gasolina em relação ao etanol
para cada uma das combinações de velocidade e pressão MAP.
Figura 5-8 - Consumo mássico de gasolina em relação ao etanol para cada
condição operativa
Devido à sua maior razão ar-combustível estequiométrica ((𝐴 𝐶⁄ )𝑒𝑠𝑡), o consumo
de combustível com gasolina é menor do que com etanol (Figura 5-8): em média, o
consumo mássico de gasolina foi 66,1% do consumo com etanol.
Ao ser injetado no coletor de admissão, o combustível é vaporizado. A pressão
absoluta no coletor de admissão, então, é a soma das pressões parciais do ar seco e do
vapor d’água admitidos e do combustível vaporizado. Devido ao maior consumo mássico,
a pressão parcial do combustível com etanol é maior do que com gasolina.
Consequentemente, a pressão parcial do ar seco é menor nos ensaios com etanol do que
com gasolina. A menor pressão parcial do ar seco diminui a sua densidade, acarretando
redução na sua vazão mássica, o que por sua vez implica na diminuição da eficiência
volumétrica. Na média de todos os ensaios, a gasolina promoveu um aumento de 1,9% na
eficiência volumétrica em relação ao etanol.
É importante abordar, no entanto, que caso as incertezas expandidas sejam levadas
em consideração, não é possível verificar diferença entre os dois combustíveis no
resultado da eficiência volumétrica. Todos as diferenças se encontram dentro das barras
de erros, como pode ser confirmado na figura, o que indica que um estudo mais
aprofundado desse assunto é necessário.
Outra conclusão a ser feita a partir das Figura 5-3 a Figura 5-7 é a relação direta
entre a pressão MAP e a eficiência volumétrica. Como já abordado no capítulo 3, o pedal
do acelerador controla a inclinação da borboleta em relação à passagem de ar, diminuindo
ou aumentando a perda de carga no escoamento do ar admitido. Essa perda de carga
55
controla a pressão no coletor de admissão (a pressão MAP, após a borboleta), diretamente
relacionada com a densidade do ar admitido. Quanto maior for a densidade do ar
admitido, maior será a eficiência volumétrica (equação 3-5).
A seguir, as Figura 5-9 e Figura 5-10 apresentam uma abordagem diferente dos
resultados da eficiência volumétrica. Nelas é possível analisar mais claramente a
influência da velocidade do veículo na eficiência volumétrica.
56
Figura 5-9 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios com etanol
Figura 5-10 - Resultado da eficiência volumétrica para os ensaios com gasolina
Conforme pode ser visto nas Figura 5-9 e Figura 5-10, a velocidade de 60 km/h
foi a que promoveu, em geral, a maior eficiência volumétrica, enquanto a de 40 km/h, a
menor. Em média, os ensaios a 60 km/h apresentaram eficiência volumétrica 14,5% maior
em relação à velocidade de 40 km/h.
57
Conforme já abordado no capítulo 4, a velocidade de 60 km/h em 3ª marcha
corresponde a uma rotação do motor de 3.875 RPM. Essa rotação é bem próxima da
rotação de máximo torque do veículo, 3.850 RPM, conforme o manual do proprietário.
Essa pode ser uma das razões que expliquem a influência da velocidade do veículo na
eficiência volumétrica observada.
Devido ao fato de que a máxima potência do veículo é desenvolvida na condição
de WOT (Wide Open Throttle), torna-se interessante uma análise mais detalhada dos
resultados de eficiência volumétrica nessa condição. A Figura 5-11 mostra esta análise,
ilustrando a influência do combustível utilizado e da velocidade do veículo na condição
de WOT.
Figura 5-11 – Análise da eficiência volumétrica para os ensaios em WOT
Devido aos elevados valores de incerteza expandida para a eficiência volumétrica
nas condições de WOT, uma análise satisfatória da influência dos combustíveis fica
bastante prejudicada. De qualquer modo, caso se desconsidere a incerteza, a condição de
60 km/h a gasolina se mostrou a mais favorável.
58
5.2 Eficiência Global
As Figura 5-12 a Figura 5-16 mostram a influência da pressão MAP e do
combustível utilizado na eficiência global para cada velocidade testada. Para essa
eficiência, não foi notada variação significativa da incerteza expandida com a alteração
da condição operativa. Assim, um valor médio de ±0,1%, é suficiente para as análises,
sendo, porém, quase imperceptível na escala das figuras apresentadas.
Figura 5-12 – Resultado da eficiência global para os ensaios a 40 km/h
59
Figura 5-13 - Resultado da eficiência global para os ensaios a 50 km/h
Figura 5-14 - Resultado da eficiência global para os ensaios a 60 km/h
60
Figura 5-15 - Resultado da eficiência global para os ensaios a 70 km/h
Figura 5-16 - Resultado da eficiência global para os ensaios a 80 km/h
Analisando as Figura 5-12 a Figura 5-16, é possível perceber a influência do
combustível na eficiência global. Para cargas baixas do motor (baixos valores de pressão
MAP) a gasolina tende a ser mais eficiente do que o etanol. Essa tendência se inverte, no
entanto, uma vez que a carga do motor se aproxima da carga máxima. Nos testes com 40
kPa de pressão MAP, a gasolina promoveu, em média, um aumento na eficiência global
61
de 12,6% em relação ao etanol. Por sua vez, nos testes em WOT, o etanol promoveu, em
média, um aumento de 10,2% em relação à gasolina.
Através daquelas figuras, é possível concluir que a carga no motor (a pressão
MAP) influencia a eficiência global. À exceção de um único ensaio, com etanol a 40
km/h, a pressão MAP que resultou na máxima eficiência global foi a de 85 kPa. Isso
indica que o aumento da carga do motor, em geral, leva a um aumento da eficiência global
do veículo. Porém, na situação de carga máxima do motor (WOT), foi observada uma
queda na eficiência global. Em média, a eficiência global com 85 kPa de pressão MAP
foi 2,7% maior em relação à condição de WOT.
A exemplo do que foi feito para a eficiência volumétrica, foi observada a
influência da velocidade do veículo e da carga do motor na eficiência global (Figura 5-17
e Figura 5-18).
Figura 5-17 - Resultado da eficiência global para os ensaios com etanol
62
Figura 5-18 - Resultado da eficiência global para os ensaios com gasolina
Em relação à condição de 85 kPa de pressão MAP, a queda na eficiência global
na condição de carga máxima (WOT) foi devido ao fator λ. Enquanto nos ensaios em
WOT o veículo operou com mistura rica (λ<1), em todos os outros ele operou com mistura
estequiométrica (λ≈1). Essa calibração dos veículos é usual pelas montadoras, pois
proporciona um aumento na potência (MELO, 2007, MELO et al., 2011, MELO, 2012, e
VICENTINI, 2011). Porém, tendo em vista o comportamento da eficiência global, esse
aumento na potência não compensa o aumento do consumo de combustível
proporcionado pelo enriquecimento da mistura. Essa deficiência entre o consumo de
energia química do combustível e a potência útil se reflete na queda da eficiência global.
Mesmo não sendo a condição mais eficiente, uma análise mais detalhada da
condição WOT ainda assim é relevante, pois é nela que o veículo produz a maior potência.
Assim, a Figura 5-19 mostra a influência da velocidade do veículo e do combustível
utilizado no valor da eficiência global, em carga máxima.
63
Figura 5-19 - Análise da eficiência global para os ensaios em WOT
Como pode ser analisado na Figura 5-19, o etanol promove uma maior eficiência
global do veículo do que a gasolina. Em média, 10,2%. Isso se reflete nos valores de
torque e potência máximos do veículo informados no manual do proprietário: ambos são
maiores com etanol do que com gasolina, o que está de acordo com os valores de
eficiência global encontrados no experimento.
64
5.3 Eficiência Mecânica
As Figura 5-20 a Figura 5-24 mostram a influência da pressão MAP e do
combustível utilizado na eficiência mecânica do veículo para cada velocidade testada. A
incerteza expandida também não apresentou grande variação com a mudança da condição
de operação, sendo o valor médio ±0,2%, conforme abordado no apêndice IV. No nível
de escala das figuras apresentados, as barras de erro são quase imperceptíveis.
Figura 5-20 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios a 40 km/h
65
Figura 5-21 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios a 50 km/h
Figura 5-22 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios a 60 km/h
66
Figura 5-23 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios a 70 km/h
Figura 5-24 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios a 80 km/h
A eficiência mecânica, como pode ser visualizado nas Figura 5-20 a Figura 5-24,
apresenta tendências semelhantes à eficiência global. Em situações de baixas cargas do
motor (pressões MAP menores que 70 kPa, aproximadamente), a gasolina tende a
promover uma maior eficiência mecânica que o etanol. Essa tendência se inverte quando
se aumenta a carga do motor. Nos testes de carga mínima do motor, com 40 kPa de
pressão MAP, a gasolina promoveu um aumento na eficiência mecânica, em média, de
67
13,5% em relação ao etanol. Já nos testes com carga máxima, em WOT, o etanol
promoveu um aumento de 3,6%, em média, em relação à gasolina.
As Figura 5-25 e Figura 5-26 apresentam uma análise por combustível da
eficiência mecânica. Nelas é possível analisar a influência da velocidade do veículo e da
carga do motor no resultado da eficiência mecânica.
Figura 5-25 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios com etanol
68
Figura 5-26 - Resultado da eficiência mecânica para os ensaios com gasolina
As Figura 5-25 e Figura 5-26 corroboram a tendência de aumento da eficiência
com o aumento da carga, já mostrada nas Figura 5-20 a Figura 5-24. Além disso, pode-se
notar a influência da velocidade do veículo na eficiência mecânica. Enquanto para cargas
baixas os melhores valores de eficiência parecem ser alcançados com velocidades
intermediárias, em cargas altas a eficiência é maior em baixas velocidades. Assim, nas
condições de pressão MAP igual a ou menor que 70 kPa, a velocidade de 60 km/h
apresentou uma eficiência mecânica, em média, 14,4% maior em relação a de 80 km/h.
Nas condições de pressão MAP igual a ou acima que 85 kPa, a velocidade de 40 km/h
apresentou uma eficiência mecânica em média 6,9% maior em relação a de 80 km/h.
A Figura 5-27 ilustra a influência do combustível utilizado e da velocidade do
veículo na eficiência mecânica apenas na condição de WOT.
69
Figura 5-27 - Análise da eficiência mecânica para os ensaios em WOT
HEYWOOD (1988) menciona que a eficiência mecânica de um motor na
condição de carga máxima (WOT) é em torno de 90% ao redor de 2.400 RPM, caindo
para 75% próximo da rotação máxima do motor. A velocidade de 40 km/h em 3ª marcha
para esse veículo corresponde a uma rotação do motor de aproximadamente 2.586 RPM,
e a de 80 km/h, em torno de 5.160 RPM, próxima da rotação máxima, 5.500 RPM. Porém,
a eficiência mecânica média para essas duas velocidades em WOT foi de 74% e 68%,
respectivamente, menores que os mencionados por HEYWOOD (1988). A razão da
diferença é que HEYWOOD (1988) trata da eficiência mecânica de um motor apenas, e,
por isso, não considera as perdas de eficiência devido à resistência ao rolamento dos pneus
e à fricção no sistema de transmissão (𝑃𝑡+𝑟𝑑). Essas perdas devem ser incluídas quando
se trata da eficiência mecânica de um veículo, o que diminui o resultado encontrado para
a eficiência mecânica nesse trabalho.
70
5.4 Eficiência Térmica
As Figura 5-28 a Figura 5-32 ilustram a influência da pressão absoluta no coletor
de admissão (a pressão MAP, diretamente relacionada com a carga do motor) e do
combustível utilizado na eficiência térmica do veículo. A incerteza expandida para a
eficiência térmica também não apresentou grande variação com a mudança das condições
operacionais, sendo, em média, de ±0,3%. Na escala das figuras apresentadas, portanto,
é quase imperceptível.
Figura 5-28 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios a 40 km/h
71
Figura 5-29 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios a 50 km/h
Figura 5-30 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios a 60 km/h
72
Figura 5-31 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios a 70 km/h
Figura 5-32 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios a 80 km/h
A partir da análise das Figura 5-28 a Figura 5-32, é possível ver a interação das
influências do combustível utilizado, da pressão MAP e da velocidade do veículo na
eficiência térmica. Em velocidades intermediárias (entre 50 e 70 km/h), o etanol resultou
em valores de eficiência térmica maiores que a gasolina, independentemente da carga no
motor. Em média, nessas condições operativas o etanol resultou em um aumento de 5,7%
na eficiência térmica em relação à gasolina. Já nos dois valores extremos de velocidade
73
testadas (40 e 80 km/h), o etanol foi mais eficiente apenas em valores mais elevados de
carga no motor (pressões MAP iguais a ou maiores que de 70 kPa). Para essas condições,
o etanol resultou num aumento relativo da eficiência térmica de em média 3,9%.
Em geral, a diminuição da carga do motor promoveu um aumento na eficiência
térmica, em tendência contrária às eficiências volumétrica, global e mecânica. Em média,
a eficiência térmica com 40 kPa de pressão MAP foi 54,7% maior em relação à condição
de carga máxima (WOT).
A seguir, as Figura 5-33 e Figura 5-34 apresentam uma análise da eficiência
térmica separada por combustível, onde as influências da carga do motor e da velocidade
do veículo podem ser melhor visualizadas.
Figura 5-33 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios com etanol
74
Figura 5-34 - Resultado da eficiência térmica para os ensaios com gasolina
A partir da análise das Figura 5-33 e Figura 5-34, é possível ver a influência da
carga do motor na eficiência térmica. Para os dois combustíveis e para todas as
velocidades testadas a eficiência térmica apresentou queda com o aumento da carga do
motor.
Por isso, torna-se interessante uma análise da eficiência térmica no seu ponto mais
crítico, em carga máxima. A Figura 5-35 apresenta a influência do combustível utilizado
e da velocidade do veículo nesta condição de operação.
75
Figura 5-35 - Análise da eficiência térmica para os ensaios em WOT
Como pode ser visualizado na Figura 5-35, o etanol promove uma eficiência
térmica maior que a gasolina na condição de carga máxima (WOT). Em média 6,4%.
76
Capítulo 6: Conclusões e Proposta de Trabalhos Futuros
Este trabalho estudou a influência das condições de operação de um veículo leve
Otto Flex nas suas eficiências. O veículo utilizado no ensaio foi selecionado por ser um
bom representante da frota nacional. O veículo foi ensaiado com etanol hidratado e
gasolina brasileira (E27) e em combinações de velocidades e pressões no coletor de
admissão conforme detalhadas no capítulo 4.
Foram calculadas então as eficiências volumétrica, global, mecânica e térmica do
veículo nas condições ensaiadas. A partir dos dados obtidos, várias conclusões podem ser
tiradas.
1. Eficiência volumétrica
O controle da potência dos veículos Otto Flex é realizado pela borboleta. A sua inclinação
determina a perda de carga no escoamento do ar, aumentando ou diminuindo a vazão
deste.
Carga: o aumento da carga do motor leva a um aumento da eficiência volumétrica.
Combustível: foi observado que a gasolina promoveu uma eficiência volumétrica
levemente maior que o etanol hidratado. No entanto, esse aumento não foi
significativo, devido à alta incerteza do experimento.
Velocidade do veículo: a velocidade que promoveu a melhor eficiência
volumétrica foi a de 60 km/h, pois a essa velocidade a rotação do motor é próxima
da rotação de máximo torque.
2. Eficiência global
Carga: o aumento da carga leva a um aumento da eficiência global. Entretanto, a
condição de carga máxima não promove a máxima eficiência global, devido ao
enriquecimento da mistura ar-combustível nesta condição (λ<1).
Combustível: a influência do combustível na eficiência global dependeu da carga
do motor. Em valores de baixa carga, a gasolina promoveu uma eficiência global
melhor. Esta tendência é invertida nas condições de altas cargas, com o etanol se
mostrando mais eficiente.
Velocidade: a influência da velocidade não foi a mesma em todas as situações de
carga e combustível. Para a gasolina, velocidades maiores do veículo
apresentaram melhor eficiência global em baixas cargas. Já em cargas altas, a
tendência foi invertida, com baixas velocidades sendo mais eficientes. Para o
etanol, velocidades intermediárias proporcionaram uma melhor eficiência global
em baixas cargas. Para a situação de altas cargas, a velocidade do veículo não se
mostrou tão influente no resultado da eficiência global.
77
3. Eficiência mecânica
Carga: foi observado que o aumento da carga do motor proporcionou um aumento
da eficiência mecânica, em todas as combinações de combustíveis e velocidades
do veículo.
Combustível: a influência do combustível na eficiência mecânica foi diferente
dependendo da condição de carga no motor. Enquanto em baixos valores de carga
a gasolina se mostrou melhor para a eficiência mecânica, em cargas altas foi o
etanol quem proporcionou a melhor eficiência.
Velocidade do veículo: a influência da velocidade do veículo na eficiência
mecânica também dependeu da condição de carga do motor. Enquanto em cargas
baixas a velocidade de 60 km/h foi a mais eficiente, em cargas altas foi a de 40
km/h.
4. Eficiência térmica
Carga: foi observado que o aumento da carga do motor levou a uma diminuição
da eficiência térmica do veículo, contrário ao encontrado para as outras
eficiências.
Combustível: a influência do combustível utilizado na eficiência térmica foi
diferente dependendo da condição de carga e velocidade do veículo. A gasolina
apresentou melhor resultado de eficiência térmica apenas nas velocidades
extremas (40 e 80 km/h) e em baixas cargas do motor (pressões MAP menores
que 70 kPa). Para as outras combinações (velocidades intermediárias, e
velocidades extremas com altas cargas do motor), o etanol apresentou maior
eficiência.
Velocidade: o aumento da velocidade levou a um aumento da eficiência térmica
para o ensaio com etanol em baixas cargas do motor. Para as outras condições
(etanol em altas cargas, e gasolina), a velocidade não apresentou influência
consistente no resultado da eficiência mecânica.
6.1 Propostas de trabalhos futuros
A partir das conclusões obtidas nesse trabalho, foi possível observar propostas de
continuação das pesquisas aqui realizadas.
Aprofundar o estudo das perdas devido ao bombeamento da mistura ar-
combustível nos tempos de admissão e exaustão, 𝑃𝑝. Embora a relação proposta
por ROSENBERG (1982) (Figura 3-9) seja uma base, é interessante estudar até
que ponto ela se mantém válida para os veículos modernos;
78
A definição da potência total de fricção (𝑃𝑡𝑓) segundo o método Motored resulta
em valores aproximados da real potência total de fricção durante o funcionamento
normal de um veículo (HEYWOOD, 1988). O autor faz comparações destas
diferenças para alguns testes de motores, porém seria interessante avançar o
estudo para testes em veículos;
Analisar situações de carga mais próximas das encontradas na determinação do
consumo de combustível, segundo a norma NBR-7024. Ao analisar as eficiências
do veículo nas condições operativas presentes na norma, é possível entender que
alterações no projeto resultarão na maior diferença dos valores de autonomia do
veículo.
Estudar outras combinações de combustíveis, de modo a encontrar o mais
eficiente. Entre os combustíveis líquidos a serem estudados, a gasolina pura (E0)
e o etanol anidro com 15% de gasolina (E85), comercializados nos Estados
Unidos, se mostram como opções imediatas. Outros combustíveis incluem o
metanol, o gás natural veicular (GNV) e misturas intermediárias de gasolina e
etanol hidratado (como as estudadas por MELO, 2012).
Procurar entender mais a fundo a influência do combustível na eficiência
volumétrica. Conforme abordado no capítulo 5, não é encontrado um consenso na
literatura sobre qual o melhor combustível para esta eficiência. Assim, é
interessante um estudo mais detalhado sobre a interação entre os diversos fatores
que influem no resultado desta, tais como a temperatura do coletor de admissão,
a temperatura do ambiente, a razão ar-combustível estequiométrica, a pressão
ambiente, entre outros.
Por fim, procurar que alterações no veículo produziriam a diminuição do consumo
energético necessário para atendimento ao limite do Inovar-Auto. Dentre as
citadas em CARVALHO (2009), a adoção de injeção direta de combustível (GDI)
e de um turbo-compressor (turbo-charger) se mostram as mais simples
79
Capítulo 7: Referências Bibliográficas
ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS &
INMETRO – INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E
QUALIDADE INDUSTRIAL. Guia para a Expressão da Incerteza de Medição (ISO
GUM). Terceira edição brasileira em língua portuguesa. Rio de Janeiro: ABNT,
INMETRO, 2003. 120 p.
ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 1996.
“Veículos Rodoviários – Código de Ensaio de Motores – Potência Líquida Efetiva”,
NBR-1585.
ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2010.
“Veículos Rodoviários Automotores Leves – Medição do Consumo de Combustível –
Método de Ensaio”, NBR-7024.
AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E
BIOCOMBUSTÍVEIS – ANP, 2013. Resolução n° 40, de 25 de outubro de 2013,
“Especificação das Gasolinas de Uso Automotivo”. Diário Oficial da República
Federativa do Brasil, Brasília, DF, 28 de outubro de 2013.
AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E
BIOCOMBUSTÍVEIS – ANP, 2015. Resolução n° 19, de 15 de abril de 2015,
“Especificações do Álcool Etanol Anidro Combustível (AEAC) e do Álcool Etanol
Hidratado Combustível (AEHC)”. Diário Oficial da República Federativa do Brasil,
Brasília, DF, 20 de abril de 2015.
AMORIM, R. J., 2005, Análise do aumento da razão volumétrica de compressão
de um motor flexível multicombustível visando melhoria de desempenho, Tese de D.Sc,
UFMG, Belo Horizonte, MG, Brasil.
ANFAVEA – ASSOCIAÇÃO NACIONAL DOS FABRICANTES DE
VEÍCULOS AUTOMOTORES, 2015. “Anuário da Indústria Automobilística
Brasileira”, São Paulo, SP, Brasil, 2015. Disponível em
<http://www.anfavea.com.br/anuario.html>. Acesso em: março de 2016.
80
BAÊTA, J. G. C., 2006, Metodologia experimental para maximização de
desempenho de um motor multicombustível turboalimentado sem prejuízo à eficiência
global, Tese de D.Sc., UFMG, Belo Horizonte, MG, Brasil.
BOSCH, 2015. “Lambda Sensor LSU 4.9 Datasheet”, Alemanha.
BOWLING, B., GRIPPO, A., 2004. “Precision Wide Band Controller – How The
Wide Band Sensor Works”. Disponível em:
<http://www.megamanual.com/PWC/LSU4.htm>. Acesso em: março de 2016.
BRASIL, DEPARTAMENTO NACIONAL DE COMBUSTÍVEIS. Portaria n°
23, de 6 de junho de 1994. Proíbe o consumo de óleo diesel em veículos automotores de
passageiros, de carga e de uso misto com capacidade inferior a 1.000 kg e altera o texto
da Portaria DNC n° 16 de 29 de junho de 1993. Diário Oficial da República Federativa
do Brasil, Brasília, DF, 6 de junho de 1994.
BRASIL, CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE - CONAMA.
Resolução n° 18, de 6 de maio de 1986. Dispõe sobre a criação do programa de controle
de poluição do ar por veículos automotores - PROCONVE. Diário Oficial da República
Federativa do Brasil, Brasília, DF, 17 mai. 1986, Seção 1, p. 8792-8795.
BRASIL, GOVERNO FEDERAL. Lei n° 12.715, de 17 de setembro de 2012.
Institui o Programa de Incentivo à Inovação Tecnológica e Adensamento da Cadeia
Produtiva de Veículos Automotores e dá outras providências. Diário Oficial da República
Federativa do Brasil, Brasília, DF, 18 de setembro de 2012.
BRASIL, GOVERNO FEDERAL. Decreto nº 76.593, de 14 de novembro de
1975. Institui o Programa Nacional do Álcool e dá outras providências. Diário Oficial da
República Federativa do Brasil, Brasília, DF, 14 de novembro de 1975, Seção 1, p. 15257.
BRASIL, MINISTÉRIO DA AGRICULTURA, PECUÁRIA, E
ABASTECIMENTO, 2015. Portaria n° 75 de 5 de março de 2015, “Fixa o Percentual
Obrigatório da Adição de Etanol Anidro à Gasolina”. Diário Oficial da República
Federativa do Brasil, Brasília, DF, 6 de março de 2015, seção 1, p. 17.
BRASIL, MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE, janeiro de 2014. “Inventário
Nacional de Emissões Atmosféricas por Veículos Automotores Rodoviários”. Disponível
81
em
<http://www.inea.rj.gov.br/cs/groups/public/documents/document/zwew/mdmx/~edisp/i
nea0031540.pdf>. Acesso em: março de 2016.
BRUNETTI, F., 2014, Motores de Combustão Interna. 3ª ed. Volume 1. Blucher.
São Paulo, Brasil.
CARVALHO, R. N., VILLELA, A. C. S., MELO, T. C. C., 2008. “Technological
Solutions for Urucu Natural Gas Usage in Light-Duty Vehicles”, SAE Technical Paper
2008-36-0207.
CARVALHO, R. N., VILLELA, A. C. S., SILVA, A. H. M. da F. T. da, MELO,
T. C. C., 2009. “Technologies for CO2 mitigation on light duty vehicles - an overview”,
SAE Technical Paper 2009-36-0079.
CARVALHO, M. A. S. de, 2011, Avaliação de um motor de combustão interna
ciclo Otto utilizando diferentes tipos de combustíveis, Tese de D.Sc, UFBA, Salvador,
BA, Brasil.
CATON, P. A., HAMILTON, L. J., COWART, J. S., 2007. “An experimental and
modeling investigation into the comparative knock and performance characteristics of
e85, gasohol [E10] and regular unleaded gasoline [87 (R+M)/2]”, SAE Technical Paper
2007-01-0473.
CHAVES, R. T., 2013. Estudo de Uso de Misturas de Etanol Hidratado e
Gasolinas Automotivas em um Motor ASTM-CFR. Trabalho de Graduação, UFRJ, Rio de
Janeiro, RJ, Brasil.
COSTA, R. C., SODRÉ, J. R., 2011. “Compression ratio effects on an
etanol/gasoline fuelled engine performance”, Applied Thermal Engineering, v. 31, pp.
278-283.
DENATRAN – DEPARTAMENTO NACIONAL DE TRÂNSITO, 2012. “Frota
Nacional (dezembro de 2012): Frota por Unidade da Federação e Tipo de Veículo”.
Disponível em <http://www.denatran.gov.br/frota2012.htm>. Acesso em: março de 2016.
82
DENATRAN – DEPARTAMENTO NACIONAL DE TRÂNSITO, 2015. “Frota
Nacional (agosto de 2015): Frota por Unidade da Federação e Tipo de Veículo”.
Disponível em <http://www.denatran.gov.br/frota2015.htm>. Acesso em: março de 2016.
FARREL, J. T., WEISSMAN, W., JOHNSTON, R. J., NISHIMURA, J., UEDA,
T., IWASHITA, Y., 2003. “Fuel effects on SIDI efficiency and emissions”, SAE
Technical Paper 2003-01-3186.
JONES, F. E., 1978, “The Air Density Equation and the Transfer of the Mass
Unit”, Journal of research of the National Bureau of Standards, v. 83, n. 5 (September-
October), pp. 419-428.
JUNG, H. H., SHELBY, M. H., NEWMAN, C. E., STEIN, R. A., 2013. “Effect
of ethanol on part load thermal efficiency and CO2 emissions of SI engines”, SAE
Technical Paper 2013-01-1634.
HEYWOOD, J. B., 1988, Internal Combustion Engine Fundamentals. 1ª ed.
McGraw-Hill. New York, USA.
KLINE, S. J.; MCCLINTOCK, F. A. Describing uncertainties in single-sample
experiments. Mechanical Engineering, v. 75, p. 3-8, janeiro 1953.
MACHADO, G. B., 2012, Metodologias para Desenvolvimento de Combustíveis
e Determinação da Velocidade e Propagação de Chama em Motores de Ignição por
Centelha, Tese de D.Sc, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de
Janeiro, RJ, Brasil.
MELO, T. C. C. Incerteza de medição em ensaios de emissões veiculares –
Proposta de metodologia de cálculo. In: INMETRO – FÓRUM DE DISCUSSÃO DE
ENSAIOS DE PROFICIÊNCIA, Rio de Janeiro, maio de 2006. Disponível em:
<www.inmetro.gov.br>.
MELO, T. C. C., 2007, Modelagem Termodinâmica de um Motor do Ciclo Otto
Tipo Flex-Fuel, Funcionando com Gasolina, Álcool e Gás Natural. Tese de M.Sc,
COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
83
MELO, T. C. C., 2012, Análise Experimental e Simulação Computacional de um
Motor Flex Operando com Diferentes Misturas de Etanol Hidratado na Gasolina. Tese
de D.Sc, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
MELO, T. C. C., COLNAGO, K., LOUREIRO, L., N., 2009, “Implantação dos
Gases Orgânicos do Tipo Não-Metano (NHOG) no Brasil”, XVII Simpósio Internacional
de Engenharia Automotiva SIMEA 2009, São Paulo, SP, Brasil.
MELO, T. C. C., MACHADO, G. B., OLIVEIRA, E. J., et al., 2010.
“Experimental investigation of different hydrous ethanol - Gasoline Blends on a Flex Fuel
Engine”, SAE Technical Paper 2010-36-0469.
MINIPA, 2014. Manual do usuário, termo-higrômetro digital MTH-1362. São
Paulo, Brasil. Disponível em: <http://www.minipa.com.br/Content/Manuais/MTH-1362-
1362W-1101-BR-EN-ES.pdf>. Acesso em: dezembro de 2015.
MORAN, M. J., SHAPIRO, H. N., 2004, Fundamentals of Engineering
Thermodynamics. 5ª ed. John Wiley & Sons, Inc. New Jersey, USA.
NIST - NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY,
U.S. Department of Commerce. Livro de química na web. Disponível em:
<http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C7732185&Units=SI&Mask=4#Thermo-
Phase>. Acesso em: março de 2016.
NOAA - NATIONAL OCEANIC AND ATMOSPERIC AGENCY, 2011, NOAA
atmosphere CO2 concentration annual data, Mauna Loa Observatory. Disponível em:
<www.noaa.gov>. Acesso em: março de 2016.
ROSENBERG, R. C., 1982. “General friction considerations for engine design,
SAE Paper 821576.
VICENTINI P.C., 2011, Uso de modelos de qualidade do ar para avaliação do
efeito do PROCONVE, entre 2008 e 2020 na região metropolitana do Rio de Janeiro.
Tese de D.Sc., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
84
VILLELA, A. C. S., CARVALHO, R. N., 2009. “Fuel consumption technical and
economical study for flexible fuel vehicles”, SAE Technical Paper 2009-36-0102.
VILLELA, A. C. S., BOTERO, S. W., MACHADO, G. B., 2014. “Vehicle
Efficiency on Chassis Dynamometer Tests”, SAE Technical Paper 2014-36-0263.
WANG, Z., LIU, H., LONG, Y., WANG, J., HE, X., 2015. "Comparative study
on alcohols-gasoline and gasoline-alcohols dual-fuel spark ignition (DFSI) combustion
for high load extension and high fuel efficiency", Energy, v. 82, pp. 395-405.
WYSZYNSKI, L. P., STONE, C. R., KALGHATGI, G. T., 2002. “The volumetric
efficiency of direct and port injection gasoline engines with different fuels”, SAE
Technical Paper 2002-01-0839.
85
Apêndice I: Determinação da Densidade do Ar Atmosférico
Para o cálculo da eficiência volumétrica, equação 3-5, torna-se necessário o
cálculo da densidade do ar seco, 𝜌𝑎. Esse valor pode ser calculado, caso a hipótese de gás
ideal seja válida e sejam conhecidos os valores de temperatura e pressão parcial do ar
seco. Esse Apêndice demonstra como foi calculado a pressão parcial de ar seco, seguindo
a metodologia apresentada por MACHADO (2012).
O ar atmosférico é assumido como sendo composto de dois gases ideais, ar seco
e vapor d’água. A pressão parcial do ar seco, Par, pode ser então calculada subtraindo-se
da pressão atmosférica, Patm, a pressão parcial do vapor d’água, Pv,H2o, equação I-1
(MACHADO, 2012).
𝑃𝑎𝑟 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑣,𝐻2𝑜 (I-1)
A pressão atmosférica, 𝑃𝑎𝑡𝑚, é lida com o auxílio de um barômetro. A pressão
parcial do vapor d’água no ambiente, 𝑃𝑣,𝐻2𝑜 , é calculado segundo a equação I-2
(MACHADO, 2012).
𝑃𝑣,𝐻2𝑜 = 𝑈𝑅 ∗ 𝑃𝑠𝑎𝑡,𝐻2𝑜 (I-2)
UR significa a umidade relativa ambiente, conforme informado pelo termo-
higrômetro (seção 4.4.6), e 𝑃𝑠𝑎𝑡,𝐻2𝑜 é a pressão de saturação do vapor d’água na
temperatura ambiente.
A pressão de saturação do vapor d’água a uma dada temperatura pode ser
encontrada consultando-se tabelas termodinâmicas, como as encontradas em MORAN &
SHAPIRO (2004), ou calculada segundo a metodologia de Antoine (NIST, 2010),
Equação I-3. Os coeficientes A, B e C estão listados na Tabela I-1 (NIST, 2010). T é a
temperatura ambiente, em Kelvin, e 𝑃𝑠𝑎𝑡,𝐻2𝑜 é dado em kPa.
𝑃𝑠𝑎𝑡,𝐻2𝑜 = 10𝐴−(
𝐵𝑇+𝐶
)
(I-3)
Tabela I-1 – Coeficientes da fórmula de Antoine para a água
Temperatura [K] A B C
273 a 303 7,40221 1838,675 -31,737
304 a 333 7,20389 1733,926 -39,485
334 a 363 7,07680 1659,793 -45,854
Assim, conhecendo-se a pressão atmosférica, 𝑃𝑎𝑡𝑚, a temperatura ambiente, 𝑇, e
a umidade relativa, UR, é possível determinar a pressão parcial do ar seco, 𝑃𝑎𝑟, aplicando
–se as Equações I-1, I-2 e I-3.
Uma vez conhecendo-se a pressão parcial de ar seco no ar atmosférico, e a
temperatura absoluta dele, é possível calcular a densidade deste, segundo a Equação I-4.
86
Caso seja utilizada a pressão ambiente em kPa, a temperatura em Kelvin, e o valor de 𝑅𝑎𝑟
de 287 J/(kg*K), o resultado da pressão é em unidades de kg/l.
𝜌𝑎 =
𝑃𝑎𝑟
𝑅𝑎𝑟 ∗ 𝑇 (I-4)
87
Apêndice II: Cálculo da (𝑨/𝑪)𝒆𝒔𝒕
A partir das porcentagens mássicas de Carbono (%𝐶𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎), Hidrogênio
(%𝐻𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 ) e Oxigênio (%𝑂𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎) dos combustíveis, conforme apresentado na Tabela
4-2, foi calculado a porcentagem molar desses constituintes para cada combustível. Isso
foi alcançado dividindo-se as porcentagens mássicas pela massa molecular de cada um
dos constituintes, conforme mostrado na Equação II-1.
As porcentagens molares de Carbono, Hidrogênio e Oxigênio são nomeadas por
HEYWOOD (1988) como “a”, “b” e “c”, respectivamente, e essa nomenclatura foi
utilizada nesse trabalho. Foram adotados, nesse trabalho, os valores de massa molecular
definidos em HEYWOOD (1988): Carbono: 12,011 kg/kmol; Oxigênio: 16 kg/kmol;
Hidrogênio: 1,008 kg/kmol. Os combustíveis podem ser representados então pela fórmula
química simplificada 𝐶𝑎𝐻𝑏𝑂𝑐, como feito em HEYWOOD (1988).
𝑎 = %𝐶𝑚𝑜𝑙 =
%𝐶𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
𝑀𝑀𝐶 (II-1a)
𝑏 = %𝐻𝑚𝑜𝑙 =
%𝐻𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
𝑀𝑀𝐻 (II-1b)
𝑐 = %𝑂𝑚𝑜𝑙 =
%𝑂𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
𝑀𝑀𝑂 (II-1c)
A partir das porcentagens molares, HEYWOOD (1988) define a quantidade de
mols de 𝑂2 necessários para oxidar por completo o combustível, conforme Equação II-2.
𝑀𝑜𝑙𝑠 𝑂2 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡ã𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑡𝑎 = 𝑎 +
𝑏
4−
𝑐
2 (II-2)
Os veículos não utilizam oxigênio puro para realizar a combustão dos
combustíveis, mas sim ar atmosférico. Assim, torna-se necessário encontrar a proporção
em que oxigênio é encontrado no ar atmosférico. JONES (1978) utilizou em seu trabalho
a proporção de 20,496% de mols de O2 por mol de ar atmosférico seco, e essa proporção
foi utilizada nesse trabalho.
Por fim, como a razão ar-combustível estequiométrica é tipicamente expressa em
uma relação mássica (kg/kg), e não em uma relação molar (mol/mol), é necessário
encontrar a massa molecular do ar atmosférico. JONES (1978) calculou esse valor como
sendo de 28,963 𝑘𝑔
𝑘𝑚𝑜𝑙, a partir da determinação da proporção entre os vários constituintes
típicos do ar atmosférico seco, e esse valor também foi utilizado nesse trabalho.
Assim, a determinação da razão ar-combustível estequiométrica pode ser
facilmente encontrada segundo a Equação II-3.
(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 =
(𝑀𝑜𝑙𝑠 𝑂2 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡ã𝑜 ) ∗ (𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑜 𝑎𝑟)
(𝑝𝑟𝑜𝑝𝑜𝑟çã𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑜 𝑂2 𝑛𝑜 𝑎𝑟 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑜)
88
(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 =(
%𝐶𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
12,011 +%𝐻𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
1,008 ∗ 4 −%𝑂𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
16 ∗ 2 ) ∗ (28,963)
0,20946
(𝐴/𝐶)𝑒𝑠𝑡 = 138,3 ∗ (
%𝐶𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
12,011+
%𝐻𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
4,032−
%𝑂𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎
32) (II-3)
89
Apêndice III: Determinação das Incertezas das Eficiências
As incertezas de medição foram calculadas segundo a metodologia descrita no
GUIA PARA A EXPRESSÃO DA INCERTEZA DE MEDIÇÃO (ABNT & INMETRO,
2003) e orientações de MELO (2006).
A incerteza de medição foi dividida em incerteza devido à repetitividade das
leituras realizadas (tipo A) e a incerteza devido ao instrumento (tipo B). A incerteza tipo
A (𝐼𝐴) foi calculada dividindo-se o desvio padrão das leituras pela raiz quadrada do
número de leituras. A incerteza do tipo B (𝐼𝐵) utilizada foi baseada nas incertezas de cada
instrumento, conforme mencionadas nas tabelas 4-3 a 4-7.
Para as variáveis de interesse obtidas diretamente pelo sistema de controle do
banco de provas e que não dependem de outras grandezas, as incertezas absolutas do tipo
B foram calculadas multiplicando-se a incerteza relativa reportada pelo fabricante do
instrumento pela média das leituras dos ensaios. No caso das variáveis de interesse
obtidas a partir de cálculos, que utilizam as grandezas lidas diretamente pelo sistema do
banco de provas, as incertezas do tipo B foram propagadas adotando-se a metodologia de
combinação das incertezas, segundo a equação III-1 (KLINE & MCCLINTOCK, 1953).
𝛿𝑅 = √(𝜕𝑅
𝜕𝑥1𝛿𝑥1)
2
+ (𝜕𝑅
𝜕𝑥2𝛿𝑥2)
2
+ ⋯ + (𝜕𝑅
𝜕𝑥𝑛𝛿𝑥𝑛)
2
III-1
Na equação III-1 𝛿𝑅 é a incerteza do tipo B da variável dependente de interesse,
𝑅 = 𝑅(𝑥1, 𝑥2, … , 𝑥𝑛), e 𝛿𝑥𝑛 são as incertezas do tipo B das variáveis independentes.
Com as incertezas do tipo A e tipo B, calculou-se a incerteza combinada, 𝐼𝐶 ,
segundo a equação III-2.
𝐼𝐶 = √𝐼𝐴
2 + 𝐼𝐵2 III-2
A incerteza expandida, 𝐼𝐸, por sua vez, é obtida pela multiplicação da incerteza
combinada pelo fator de abrangência k, conforme equação III-3. O valor assumido para o
fator de abrangência foi 2, consistindo em grau de confiança de 95% para a média da
variável de interesse.
𝐼𝐸 = 𝑘 ∗ 𝐼𝐶 III-3
A incerteza tipo B da eficiência volumétrica (𝛿𝜂𝑣) foi calculada com base na sua
definição (equação 3-5) e na fórmula geral da incerteza (equação III-1), resultando na
fórmula III-4.
𝛿𝜂𝑣 =
𝜂𝑣√(𝛿𝜆
𝜆)
2
+ (𝛿(𝐴 𝐶⁄ )𝑒𝑠𝑡
(𝐴 𝐶⁄ )𝑒𝑠𝑡)
2
+ (𝛿�̇�𝑐
�̇�𝑐)
2
+ (𝛿𝑃𝑎𝑟
𝑃𝑎𝑟)
2
+ (𝛿𝑇𝑎𝑚𝑏
𝑇𝑎𝑚𝑏)
2
+ (𝛿𝑉𝑑
𝑉𝑑)
2
+ (𝛿𝑁
𝑁)
2
. (III-4)
90
Da mesma maneira, as incertezas do tipo B para as fórmulas das eficiências global
(equação 3-8), mecânica (equação 3-9) e térmica (equação 3-16) foram calculadas, e os
resultados estão mostrados nas equações III-5 a III-7.
𝛿𝜂𝑔 = 𝜂𝑔√(𝛿𝐹
F)
2
+ (𝛿𝑉
𝑉)
2
+ (𝛿�̇�𝑐
�̇�𝑐)
2
+ (𝛿𝑃𝐶𝐼
𝑃𝐶𝐼)
2
(III-5)
𝛿𝜂𝑚 = 𝜂𝑚√(𝛿𝐹
𝐹)
2
+ (𝛿𝑉
𝑉)
2
+ [𝑃𝑢
2 + 𝑃𝑡𝑓2
(𝑃𝑢 + 𝑃𝑡𝑓)2] ∗ [(
𝛿𝐹
𝐹)
2
+ (𝛿𝑉
𝑉)
2
] (III-6)
𝛿𝜂𝑡 = 𝜂𝑡√(𝛿�̇�𝑐
�̇�𝑐)
2
+ (𝛿𝑃𝐶𝐼
𝑃𝐶𝐼)
2
+ [𝑃𝑢
2 + 𝑃𝑡𝑓2
(𝑃𝑢 + 𝑃𝑡𝑓)2] ∗ [(
𝛿𝐹
𝐹)
2
+ (𝛿𝑉
𝑉)
2
] (III-7)
Para o cálculo das incertezas foram utilizadas as informações das tabelas 4-3 a 4-
7. A tabela III-1 mostra os valores dos parâmetros de influência no cálculo das eficiências.
Os parâmetros que não foram mencionados explicitamente no capítulo 4 foram estimados.
Tabela III-1 – Incertezas dos parâmetros de influência no cálculo das eficiências
𝛿𝜆
𝜆= 0,007
𝛿(𝐴 𝐶⁄ )𝑒𝑠𝑡
(𝐴 𝐶⁄ )𝑒𝑠𝑡= 0,004
𝛿�̇�𝑐
�̇�𝑐= 0,001 +
0,005(𝑘𝑔2∗ℎ−2)
�̇�𝑐2
𝛿𝑃𝑎𝑟
𝑃𝑎𝑟= 0,005
𝛿𝑇𝑎𝑚𝑏
𝑇𝑎𝑚𝑏= 0,013
𝛿𝑉𝑑
𝑉𝑑= 0,001
𝛿𝑁 = 5 𝑅𝑃𝑀 𝛿𝐹
F= 0,001
𝛿𝑉
𝑉= 0,0001
𝛿𝑃𝐶𝐼
𝑃𝐶𝐼= 0,002
Aplicando-se os valores dos parâmetros da tabela III-1 nas equações III-4 a III-7,
é possível chegar em formas mais simplificadas para o cálculo da incerteza do tipo B das
eficiências abordadas nesse trabalho. Essas fórmulas simplificadas foram as utilizadas no
cálculo dos valores apresentados no apêndice IV, e estão apresentadas nas fórmulas III-8
a III-11.
𝛿𝜂𝑣 = 𝜂𝑣 ∗ 10−3√261 (III-8)
91
𝛿𝜂𝑔 = 𝜂𝑔 ∗ 10−3√6 (III-9)
𝛿𝜂𝑚 = 𝜂𝑚 ∗ 10−3√1 +𝑃𝑢
2 + 𝑃𝑡𝑓2
(𝑃𝑢 + 𝑃𝑡𝑓)2 (III-10)
𝛿𝜂𝑡 = 𝜂𝑡 ∗ 10−3√5 +𝑃𝑢
2 + 𝑃𝑡𝑓2
(𝑃𝑢 + 𝑃𝑡𝑓)2 (III-11)
92
Apêndice IV: Resultados Experimentais
Os resultados de velocidade não apresentaram variação entre o valor inserido no
terminal de controle do dinamômetro e o valor médio medido pelo próprio dinamômetro.
Por isso eles são os mesmos da matriz de testes, e, portanto, foram suprimidos desse
apêndice.
IV.1 Rotação
Devido à estreita relação entre a rotação do motor e a velocidade do veículo, a
variação encontrada para a medição da rotação foi pequena. Assim, foram utilizados
apenas os valores médios desta, apresentados abaixo.
Tabela IV-1 – Resultados médios da rotação do motor (RPM)
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Rotação (RPM) 2586 3231 3875 4519 5162
IV.2 Força
Tabela IV-2 - Resultados da medição de força, experimento com etanol (N)
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 236,6 327,4 367,4 322,0 293,0
55 571,8 660,4 744,2 703,0 713,1
70 957,4 1062,3 1115,2 1083,1 1083,5
85 1298,8 1415,5 1527,2 1487,2 1449,2
100 1854,6 1935,9 1992,0 1935,1 1914,9
93
Tabela IV-3 - Resultados da medição de força, experimento com gasolina (N)
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 248,9 364,6 346,6 435,9 384,4
55 619,0 674,3 770,2 711,9 683,9
70 935,5 1005,8 1134,4 1028,3 995,5
85 1328,0 1380,4 1413,5 1360,3 1358,7
100 1743,8 1774,3 1768,1 1670,4 1585,8
Os resultados de potência útil foram calculados multiplicando-se a força medida
pela velocidade, equação IV-1.
𝑃𝑢[𝑘𝑊] =𝐹[𝑁] ∗ 𝑉[
𝑘𝑚ℎ ]
3600 [𝑠ℎ
]
(IV-1)
IV.3 Consumo de combustível
Tabela IV-4 - Resultados do consumo de combustível, experimento com etanol
(kg/h)
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 3,10 4,23 5,51 6,22 6,69
55 4,38 5,78 7,62 8,63 9,83
70 5,84 7,76 9,74 11,08 12,64
85 7,11 9,36 12,12 13,90 15,84
100 10,12 12,91 16,35 19,09 21,20
94
Tabela IV-5 - Resultados do consumo de combustível, experimento com gasolina
(kg/h)
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 1,95 2,97 3,41 4,49 4,50
55 2,93 3,93 5,13 5,70 5,96
70 3,68 4,94 6,77 7,50 8,28
85 4,90 6,59 8,09 9,27 10,62
100 6,43 8,52 10,67 12,14 12,88
IV.4 Pressão MAP
Conforme abordado no capítulo 5, os resultados de pressão MAP apresentaram
pequenas diferenças entre o valor proposto na matriz de testes e a média real dos
experimentos.
Tabela IV-6 - Médias da pressão MAP, experimento com etanol (kPa)
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 39,72 40,49 40,14 39,34 39,39
55 53,53 53,34 54,39 53,52 55,01
70 69,39 69,32 68,81 68,38 69,52
85 83,42 83,48 84,90 84,27 83,56
100 100,52 100,28 100,09 99,71 99,28
95
Tabela IV-7 - Médias da pressão MAP, experimento com gasolina (kPa)
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 39,36 40,93 38,23 42,55 41,67
55 54,11 52,96 54,56 53,41 53,85
70 66,99 67,25 71,93 69,02 70,57
85 83,85 84,77 83,38 83,24 86,18
100 99,55 99,35 99,04 98,69 98,33
IV.5 Lambda
Conforme abordado no capítulo 5, é usual que os veículos sejam calibrados para
funcionar com valor de λ estequiométrico em cargas parciais, e λ rico (λ<1) em WOT.
Tabela IV-8 - Resultado da razão ar-combustível relativa (λ), experimento com
etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 1,00 1,00 1,00 0,99 0,99
55 1,00 1,00 1,00 0,99 0,99
70 1,00 1,00 0,99 0,99 0,99
85 1,00 1,00 1,00 1,00 0,99
100 0,93 0,93 0,92 0,92 0,93
96
Tabela IV-9 - Resultado da razão ar-combustível relativa (λ), experimento com
gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 1,00 1,00 1,00 1,00 0,99
55 1,00 0,99 1,00 1,00 0,99
70 0,99 1,00 1,00 1,00 1,00
85 1,00 1,00 1,00 1,00 0,99
100 0,97 0,95 0,94 0,94 0,96
IV.6 Potência total de fricção (𝑷𝒕𝒇)
A potência total de fricção foi medida em um ensaio Motored, conforme detalhado
no capítulo 3, com a injeção de combustível desconectada e o veículo engrenado, com o
acelerador totalmente pressionado (WOT).
Tabela III-10 - Resultado da potência total de fricção, ensaio Motored, veículo
engrenado e em WOT (𝑃𝑡𝑓)
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Potência total de
fricção, 𝑃𝑡𝑓 (kW) 7,14 9,12 11,61 14,50 18,08
97
IV.7 Potência devido à resistência ao rolamento das rodas
A potência devido à resistência ao rolamento das rodas foi medida em um ensaio
Motored, conforme detalhado no capítulo 3, com a injeção de combustível desconectada
e o veículo desengrenado.
Tabela III-11 - Resultado da potência perdida devido à resistência ao rolamento
das rodas e ao atrito interno do sistema de transmissão, ensaio Motored, veículo
desengrenado (𝑃𝑡+𝑟𝑑)
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Potência de resistência ao
rolamento, 𝑃𝑡+𝑟𝑑 (kW) 1,07 1,41 1,75 2,03 2,41
IV.8 Eficiência Volumétrica
A eficiência volumétrica foi calculada conforme a equação 3-5. A sua incerteza
combinada foi calculada com base na incerteza fruto das imprecisões dos equipamentos
(tipo B) e com base na variabilidade experimental dos parâmetros de influência (tipo A).
Tabela IV-12 - Resultados da eficiência volumétrica - experimento com etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 29,0% 31,6% 34,3% 33,1% 31,2%
55 40,9% 43,1% 47,6% 45,9% 45,7%
70 54,5% 57,8% 60,6% 59,2% 58,8%
85 66,1% 70,1% 75,5% 74,5% 73,8%
100 87,7% 90,2% 94,4% 94,1% 92,8%
98
Tabela IV-13 - Resultados da eficiência volumétrica - experimento com gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 27,8% 34,1% 32,7% 37,0% 32,3%
55 41,8% 44,9% 49,0% 46,8% 42,6%
70 52,3% 56,5% 64,7% 61,7% 59,6%
85 69,9% 75,5% 77,3% 76,3% 75,9%
100 89,2% 93,0% 95,8% 93,9% 88,8%
Tabela IV-14 - Incerteza tipo A da eficiência volumétrica - experimento com
etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,02%
55 0,02% 0,02% 0,02% 0,02% 0,02%
70 0,03% 0,03% 0,03% 0,02% 0,03%
85 0,04% 0,03% 0,04% 0,03% 0,03%
100 0,05% 0,04% 0,04% 0,03% 0,04%
Tabela IV-15 - Incerteza tipo A da eficiência volumétrica - experimento com
gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,03% 0,02% 0,02% 0,02% 0,02%
55 0,04% 0,03% 0,03% 0,02% 0,03%
70 0,04% 0,04% 0,03% 0,03% 0,03%
85 0,05% 0,05% 0,04% 0,04% 0,05%
100 0,06% 0,06% 0,07% 0,04% 0,05%
99
Tabela IV-16 - Incerteza tipo B da eficiência volumétrica - experimento com
etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,5% 0,5% 0,6% 0,5% 0,5%
55 0,7% 0,7% 0,8% 0,7% 0,7%
70 0,9% 0,9% 1,0% 1,0% 0,9%
85 1,1% 1,1% 1,2% 1,2% 1,2%
100 1,4% 1,5% 1,5% 1,5% 1,5%
Tabela IV-17 - Incerteza tipo B da eficiência volumétrica - experimento com
gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,4% 0,6% 0,5% 0,6% 0,5%
55 0,7% 0,7% 0,8% 0,8% 0,7%
70 0,8% 0,9% 1,0% 1,0% 1,0%
85 1,1% 1,2% 1,2% 1,2% 1,2%
100 1,4% 1,5% 1,5% 1,5% 1,4%
Tabela IV-18 - Incerteza expandida da eficiência volumétrica - experimento com
etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,9% 1,0% 1,1% 1,1% 1,0%
55 1,3% 1,4% 1,5% 1,5% 1,5%
70 1,8% 1,9% 2,0% 1,9% 1,9%
85 2,1% 2,3% 2,4% 2,4% 2,4%
100 2,8% 2,9% 3,1% 3,0% 3,0%
100
Tabela IV-19 - Incerteza expandida da eficiência volumétrica - experimento com
gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,9% 1,1% 1,1% 1,2% 1,0%
55 1,4% 1,5% 1,6% 1,5% 1,4%
70 1,7% 1,8% 2,1% 2,0% 1,9%
85 2,3% 2,4% 2,5% 2,5% 2,5%
100 2,9% 3,0% 3,1% 3,0% 2,9%
Como é possível perceber, nem a velocidade nem o combustível alteraram
significativamente o valor da incerteza expandida da eficiência volumétrica. Assim, os
valores apresentados nas barras de erro dos gráficos do subcapítulo 5.1 (Resultados e
Discussões – Eficiência Volumétrica) são os valores médios para cada uma das pressões
MAP testadas, conforme a
Tabela IV-20 - Incerteza expandida média da eficiência volumétrica
Pressão MAP (kPa)
40 55 70 85 WOT
1,0% 1,4% 1,9% 2,4% 3,0%
IV.9 Eficiência Global
Tabela IV-21 – Resultados da eficiência global – experimento com etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 12,09% 15,31% 15,83% 14,34% 13,88%
55 20,66% 22,61% 23,19% 22,58% 22,96%
70 25,96% 27,10% 27,20% 27,07% 27,15%
85 28,92% 29,92% 29,92% 29,63% 28,97%
100 29,01% 29,67% 28,92% 28,08% 28,59%
101
Tabela IV-22 – Resultados da eficiência global – experimento com gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 13,24% 15,89% 15,78% 17,57% 17,69%
55 21,87% 22,18% 23,31% 22,60% 23,76%
70 26,33% 26,32% 26,00% 24,82% 24,88%
85 28,04% 27,09% 27,13% 26,58% 26,47%
100 28,05% 26,94% 25,72% 24,92% 25,47%
Tabela IV-23 – Incerteza tipo A da eficiência global – experimento com etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
55 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
70 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
85 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
100 0,01% 0,01% 0,01% 0,00% 0,01%
Tabela IV-24 – Incerteza tipo A da eficiência global – experimento com gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
55 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,02%
70 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
85 0,02% 0,02% 0,01% 0,01% 0,02%
100 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
102
Tabela IV-25 – Incerteza tipo B da eficiência global – experimento com etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,03% 0,04% 0,04% 0,04% 0,03%
55 0,05% 0,06% 0,06% 0,06% 0,06%
70 0,06% 0,07% 0,07% 0,07% 0,07%
85 0,07% 0,07% 0,07% 0,07% 0,07%
100 0,07% 0,07% 0,07% 0,07% 0,07%
Tabela IV-26 – Incerteza tipo B da eficiência global – experimento com gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,03% 0,04% 0,04% 0,04% 0,04%
55 0,05% 0,05% 0,06% 0,06% 0,06%
70 0,06% 0,06% 0,06% 0,06% 0,06%
85 0,07% 0,07% 0,07% 0,07% 0,06%
100 0,07% 0,07% 0,06% 0,06% 0,06%
Tabela IV-27 – Incerteza expandida da eficiência global – experimento com
etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
55 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
70 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
85 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
100 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
103
Tabela IV-28 – Incerteza expandida da eficiência global – experimento com
gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
55 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
70 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
85 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
100 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
IV.10 Eficiência Mecânica
Tabela IV-29 – Resultados da eficiência mecânica – experimento com etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 21,10% 26,86% 28,08% 24,03% 20,79%
55 41,41% 45,02% 47,05% 43,73% 42,10%
70 57,48% 59,93% 59,78% 57,40% 55,35%
85 66,37% 67,97% 68,47% 66,39% 63,79%
100 74,26% 74,68% 74,09% 72,18% 70,19%
Tabela IV-30 – Resultados da eficiência mecânica – experimento com gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 22,02% 29,40% 27,07% 31,10% 26,53%
55 44,17% 46,24% 48,98% 45,15% 42,14%
70 57,20% 58,84% 61,01% 56,75% 53,93%
85 67,15% 67,61% 66,87% 64,51% 62,55%
100 73,06% 73,00% 71,73% 69,13% 66,10%
104
Tabela IV-31 – Incerteza tipo A da eficiência mecânica – experimento com etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
55 0,02% 0,02% 0,01% 0,01% 0,01%
70 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
85 0,01% 0,01% 0,01% 0,004% 0,01%
100 0,001% 0,001% 0,002% 0,003% 0,002%
Tabela IV-32 – Incerteza tipo A da eficiência mecânica – experimento com
gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
55 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
70 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
85 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
100 0,004% 0,005% 0,004% 0,005% 0,01%
Tabela IV-33 – Incerteza tipo B da eficiência mecânica – experimento com etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,03% 0,03% 0,04% 0,03% 0,03%
55 0,05% 0,06% 0,06% 0,05% 0,05%
70 0,07% 0,07% 0,07% 0,07% 0,07%
85 0,08% 0,09% 0,09% 0,08% 0,08%
100 0,09% 0,10% 0,09% 0,09% 0,09%
105
Tabela IV-34 – Incerteza tipo B da eficiência mecânica – experimento com
gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,03% 0,04% 0,03% 0,04% 0,03%
55 0,05% 0,06% 0,06% 0,06% 0,05%
70 0,07% 0,07% 0,08% 0,07% 0,07%
85 0,08% 0,08% 0,08% 0,08% 0,08%
100 0,09% 0,09% 0,09% 0,09% 0,08%
Tabela IV-35 – Incerteza expandida da eficiência mecânica – experimento com
etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
55 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
70 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
85 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%
100 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%
Tabela IV-36 – Incerteza expandida da eficiência mecânica – experimento com
gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
55 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
70 0,1% 0,1% 0,2% 0,1% 0,1%
85 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%
100 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%
106
IV.11 Eficiência Térmica
Tabela IV-37 – Resultados da eficiência térmica – experimento com etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 57,31% 56,98% 56,39% 59,69% 66,76%
55 49,88% 50,22% 49,29% 51,63% 54,53%
70 45,16% 45,23% 45,49% 47,16% 49,04%
85 43,58% 44,01% 43,70% 44,63% 45,41%
100 39,07% 39,73% 39,04% 38,91% 40,74%
Tabela IV-38 – Resultados da eficiência térmica – experimento com gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 60,12% 54,06% 58,29% 56,48% 66,65%
55 49,51% 47,97% 47,59% 50,06% 56,38%
70 46,04% 44,74% 42,62% 43,73% 46,13%
85 41,75% 40,07% 40,57% 41,21% 42,33%
100 38,39% 36,91% 35,85% 36,05% 38,53%
Tabela IV-39 – Incerteza tipo A da eficiência térmica – experimento com etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,03% 0,02% 0,02% 0,02% 0,03%
55 0,02% 0,02% 0,01% 0,01% 0,02%
70 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
85 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
100 0,01% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
107
Tabela IV-40 – Incerteza tipo A da eficiência térmica – experimento com gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,06% 0,02% 0,03% 0,02% 0,04%
55 0,04% 0,02% 0,02% 0,02% 0,04%
70 0,03% 0,02% 0,01% 0,01% 0,02%
85 0,02% 0,02% 0,01% 0,01% 0,02%
100 0,02% 0,01% 0,01% 0,01% 0,01%
Tabela IV-41 – Incerteza tipo B da eficiência térmica – experimento com etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,2%
55 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
70 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
85 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
100 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
Tabela IV-42 – Incerteza tipo B da eficiência térmica – experimento com gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,2%
55 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
70 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
85 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
100 0,1% 0,1% 0,1% 0,1% 0,1%
108
Tabela IV-43 – Incerteza expandida da eficiência térmica – experimento com
etanol
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,3% 0,3% 0,3% 0,3% 0,3%
55 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,3%
70 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%
85 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%
100 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%
Tabela IV-44 – Incerteza expandida da eficiência térmica – experimento com
gasolina
Velocidade (km/h)
40 50 60 70 80
Pressão
MAP
(kPa)
40 0,3% 0,3% 0,3% 0,3% 0,3%
55 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,3%
70 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%
85 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%
100 0,2% 0,2% 0,2% 0,2% 0,2%
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