determinação da eficiência de conversão energética do sistema de

DETERMINAÇÃO
DA
EFICIÊNCIA
DE
CONVERSÃO
ENERGÉTICA DO SISTEMA DE PROPULSÃO DE UM VEÍCULO A
PARTIR DE TESTES DE ESTRADA
Manuel Gameiro da Silva1, Mohammadhossein Ghodsirad1, João Teixeira1, Luis Serrano1,2,Ana
Cristina Campos3, Paulo Breda3
(1)
ADAI, LAETA Department of Mechanical Engineering, University of Coimbra,
School of Technology and Management – Polytechnic Institute of Leiria, Leiria
(2)
(3)
Galp Energia, Lisboa, Portugal
Sumário
A determinação da eficiência de conversão de energia do sistema de propulsão de um veículo pode ser baseada
em testes de estrada em condições reais de operação; em ensaios em banco de rolos ou em ensaios de motores
em bancos dinamométricos. Neste artigo, é descrita uma metodologia desenvolvida para permitir a medição do
desempenho de conversão de energia do sistema de propulsão de um veículo, através da utilização conjunta dos
dados recolhidos em ensaios de estrada e de um modelo de simulação que calcula as várias componentes do
balanço de forças durante o movimento.
Palavras-chave: Eficiência de Conversão Energética/ Ensaios em Estrada / Medição de Consumo.
1
INTRODUÇÃO
A determinação da eficiência de conversão energética do sistema de propulsão de um veículo pode ser
baseada em testes de estrada em condições reais de operação; em ensaios em banco de rolos em que o veículo é
submetido a um dado ciclo de carga; e, finalmente, em ensaios de motores em bancos dinamométricos, em que o
objeto de teste é o próprio motor, sendo as condições de ensaio definidas a partir de uma sequência de passos
impostos pelas condições de operação de um freio.
Apesar de ser o método em que as condições reais de utilização são reproduzidas com maior facilidade,
os testes de estrada, devido à maior incerteza que lhe está associada, têm sido muitas vezes substituídos em testes
padronizados ou em processos de investigação pelas duas outras metodologias. Assim, há alguma escassez, na
literatura científica recente [1], [2], de trabalhos sobre a análise de energia com base no uso de testes de estrada
realizados com veículos movidos a motores de combustão interna.
No entanto, o potencial dos atuais sistemas de medição e aquisição de dados, que permitem a monitorização
simultânea de um grande número de parâmetros com elevada resolução temporal, pode melhorar claramente a
qualidade de avaliações realizadas a partir de ensaios de estrada. Usando os dados medidos do consumo de
combustível e das principais grandezas relacionadas com o deslocamento do veículo, é possível fazer a correções
das influências dos principais fatores perturbadores e melhorar claramente a qualidade das avaliações.
Assim, a taxa de consumo de combustível pode ser continuamente medida e registada durante o deslocamento do
veículo, enquanto que, com os dados da trajetória, a energia necessária para assegurar o deslocamento pode ser
calculada com um modelo de simulação. Integrando ao longo do tempo os valores da potência média em cada
intervalo de tempo, é calculada a energia total necessária para assegurar o deslocamento do veículo, enquanto
que integrando simultaneamente a taxa de combustível ao longo do tempo de duração da viagem, o consumo
total de combustível é calculado. O quociente entre a energia teoricamente necessária e a energia efetivamente
gasta dá a eficiência de conversão do sistema de propulsão do veículo.
No presente artigo, a metodologia anteriormente descrita foi aplicada, sendo complementarmente utilizado um
esquema de correção do efeito perturbador do vento atmosférico.
1
2
METODOLOGIA
O consumo de combustível num motor é, em cada momento, função dos dois parâmetros utilizados para definir a
sua situação de funcionamento, i.e. a velocidade de rotação e o binário resistente que o mesmo tem de vencer.
No caso em que o motor está montado num veículo a circular em estrada, o binário resistente é aplicado ao veio
do motor através do sistema de transmissão e resulta da força que as rodas propulsoras transmitem ao solo para
garantir o movimento, que é dada pela seguinte equação:
Fmot  Rrol  Raerod  Finerc  Fgrav
[1]
na qual Fmot é a força motriz, Rrol representa a resistência de rolamento, Raero a resistência aerodinâmica, Finerc as
forças inerciais (que correspondem a uma resistência nos momentos de aceleração e que ajudam a garantir o
movimento nos momentos de desaceleração) e Fgrav as forças gravitacionais que representam uma resistência ao
avanço nas subidas e ajudam ao movimento nas descidas. Na equação seguinte cada um dos termos do segundo
membro da equação anterior é substituído pela sua expressão analítica:
Fmot  M  g  cos   ( K 0  K1v gr ) 
2
1
2
 C x    A  vair  M  a  M  g  sin 
2
[2]
em que:
M
– A massa do veículo [kg]

– O ângulo de declive da estrada [º]
K0
– O coeficiente de atrito estático
K1
– O coeficiente de atrito dinâmico
vgr
– A velocidade do veículo em relação ao solo [m/s]
Cx
– O coeficiente de resistência aerodinâmica

– A massa específica do ar [kg/m3]
A
– A área frontal do veículo [m2]
vair
– A velocidade do veículo em relação ao ar [m/s]
a
– A aceleração do veículo [m/s2]
A partir dos termos do segundo membro da equação anterior é possível calcular, em cada instante, com base nas
informações recolhidas por um sistema de monitorização que forneça os dados correspondentes ao deslocamento
do veículo em estrada e de alguns dados relativos ao veículo de testes (massa total, coeficiente de resistência
aerodinâmica, área frontal e coeficientes de atrito dos pneus), as várias componentes de força que somadas
permitem obter a força motriz total exercida em cada momento pelas rodas do veículo. A massa total do veículo,
o coeficiente de resistência aerodinâmica e a área frontal do veículo estão disponíveis a partir de informação
comunicada pelos fabricantes, quer nos catálogos, quer em outras informações técnicas disponíveis. Os
coeficientes de atrito K0 e K1 podem ser obtidos a partir das informações técnicas de fabricantes de pneumáticos
ou, em alternativa, determinados a partir de ensaios de desaceleração feitos em troços de estrada retos e de
inclinação praticamente nula, desde que sejam conhecidos os valores da massa do veículo, da sua área frontal e
do coeficiente de resistência aerodinâmica.
Como referido anteriormente, a soma dos valores do segundo membro da equação 2, permite obter os valores da
força motriz que em cada momento seria precisa para manter o veículo em movimento. Se, para um dado
intervalo de tempo, correspondente ao percurso de um dado troço de estrada, multiplicarmos essa força pelo
deslocamento, teremos a energia que seria necessária para assegurar o movimento do veículo. Por outro lado, se
o consumo de combustível do veículo for monitorizado através de um sistema de medição e aquisição de dados
2
que permita uma elevada frequência de amostragem temporal (tipicamente da ordem de 1 a 10 Hz), será
possível, uma vez multiplicado o volume de combustível num dado intervalo de tempo pelo seu poder calorífico
inferior, ter a evolução temporal da quantidade de energia efetivamente gasta para assegurar o deslocamento do
veículo. A eficiência de conversão energética do sistema constituído pelo motor e pela transmissão do veículo é
assim obtida a partir do quociente entre a energia teórica necessária para assegurar o movimento e a energia
efetivamente despendida.
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MONTAGEM EXPERIMENTAL
O sistema de medição e aquisição de dados projetado e posteriormente montado a bordo do veículo foi
concebido com o objetivo de permitir a amostragem com uma elevada frequência dos valores do consumo de
combustível, bem como de todos os outros parâmetros que podem afetar essa grandeza. Assim, considerou-se
fundamental recolher:
- Os dados necessários para a completa definição dos trajetos percorridos, para o que é necessária a evolução
temporal dos valores das coordenadas geográficas (latitude, longitude e altitude) e da velocidade de
deslocamento do veículo;
- As informações disponíveis na unidade de processamento central do motor do veículo, comummente designada
como centralina, sobre o funcionamento do mesmo;
- Os dados necessários para avaliar a perturbação induzida nas necessidades de potência do veículo pela
ocorrência de vento durante o trajeto.
O sistema montado encontra-se representado esquematicamente na Figura 1. Pode-se considerar dividido em
dois blocos, conforme o equipamento de registo usado para a gravação dos dados.
P1
E: GPS Antenna
Can Bus (Fuel Rate Data)
G: Vbox GPS
Data Logger
C: OBD 2 Plug
P0
F: Kystler On-Board Fuel
Consumption Meter
B: Pressure
Transducers
P din
P1-P2
D: Dash Dyno
Data Logger
P2
A: Pressure Taps
Fig.1. Representação esquemática do sistema de medição montado no veículo
O Bloco 1 é constituído pelos equipamentos referenciados no esquema como:
3
- A: conjunto de tomadas de pressão P0, P1 e P2; - B: transdutores elétricos piezoresistivos de pressão Omega,
com uma gama de medição de ±2000 Pa;- C: ficha OBD 2 (“On-Board Diagnostics”); - D:Registador de dados
Auterra Dash-Dyno.
Na figura 2 apresenta-se uma representação mais detalhada dos vários componentes que constituem o Bloco 1 do
sistema de medição instalado no veículo. Na tabela 1 apresenta-se a lista de parâmetros selecionados para serem
registados durante os ensaios de estrada no registador do Bloco 1.
D: Dash-Dyno DataLogger
A: Pressure Taps
B: Piezoresistive Pressure Sensors
C : OBD II Plug
Fig.2. Representação dos componentes do Bloco 1 do sistema de medição montado no veículo
Tabela 1 – Lista dos parâmetros registados no Dash Dyno Data Logger
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Canal
Parâmetro
Canal
Parâmetro
1
Posição de acelerador
9
Temperatura de ar de admissão
2
Carga Calculada
10
Temperatura de fluido de refrigeração
3
Entrada Analógica 2 - Pdinâmica
11
Pressão na linha de combustível
4
Fluxo de combustível - Analógico
12
Pressão de ar de admissão
5
Fluxo de ar de admissão MAP
13
Pressão no coletor de admissão
6
Fluxo de ar de admissão MAF
14
Velocidade de rotação do motor RPM
7
Entrada Analógica 3 - Pdif
15
Velocidade do veículo
8
Pressão do turbo-compressor
16
Fluxo de combustível (calculado)
A Figura 3 representa os equipamentos e as ligações do Bloco 2, com mais detalhes. A antena GPS está ligada ao
sistema de aquisição da unidade de processamento de dados através de um cabo elétrico que transmite sinais
analógicos em tensão, enquanto o sistema de medição do combustível usa um cabo multi-fios que transmite um
sinal digital codificado de acordo com o protocolo de comunicação CAN-Bus correspondente ao consumo de
combustível medido durante um determinado intervalo de tempo (0,1 segundo).
O sistema Kistler-Datron DFL 3 x 5 bar é utilizado para a medição consumo de combustível do motor do veículo
em tempo real. O princípio de funcionamento é baseado numa bomba de deslocamento positivo. Quatro pistões
são utilizados para manter constante o nível de líquido num reservatório intermédio que é interposto no circuito
de alimentação de combustível. O consumo instantâneo de combustível é determinado a partir da velocidade de
rotação da bomba de deslocamento positivo, a partir da frequência de uma série de impulsos gerados por
sensores de efeito de Hall. A resolução volumétrica do sistema é 0,033 ml / impulso, que corresponde a uma
resolução de 1,19 l / h, no caso de o período de integração de 0,1 s. O sistema foi instalado no compartimento de
bagagem do veículo (ver Figura 3), dado este foi considerado o local mais racional para não ocupar espaço na
cabine e pela facilidade de acesso ao circuito do combustível, uma vez que a bomba do circuito normal está
colocada sob o assento traseiro direito.
Dado que o equipamento de medição do consumo de combustível não tem capacidade para armazenar as
informações, foi decidido comunicar a mesma através da interface CAN-Bus disponível na sua unidade de
processamento ao sistema de registro de dados GPS (VB2SX10 Racelogic), que regista também os dados da
trajetória do veículo, após o processamento do sinal de GPS adquirido com uma frequência de 10 Hz. Os dados
de GPS consistem na informação sobre o instante temporal, as coordenadas geográficas (latitude, longitude e
altitude) e a velocidade de deslocação do veículo.
.
Fig. 3 – Representação dos equipamentos do Bloco 2 do sistema de aquisição de dados montado no veículo
4
RESULTADOS
Após a verificação da qualidade metrológica dos dados recolhidos pelos sistemas utilizados para medir a
velocidade de deslocamento do veículo e o consumo de combustível, foi realizado um conjunto de testes de
estrada para comparar formulações diferentes de combustíveis. Foram selecionados dois trajetos diferentes de
viagem com o objetivo de assegurar uma boa diversidade de condições em termos da gama dos valores de carga
do motor. Para reduzir o número de fatores de perturbação, as viagens foram feitas a uma velocidade constante
de 120 km/h, com o sistema de controlo automático de velocidade ativado e a caixa de velocidades na sexta
relação.
Um dos ensaios foi realizado nas autoestradas A1, A25 e A62 entre Coimbra e Salamanca. O percurso é
mostrado na Figura 4, onde os dados recolhidos pelo gravador GPS Racelogic VB2SX10 são representados na
plataforma Google Earth. Além de rota (linha vermelha) do ensaio, que corresponde à evolução dos dados de
latitude e longitude, o perfil de altitude medido pelo sistema ao longo do trajeto está também representado. O
ponto de partida na cidade de Coimbra corresponde ao lado esquerdo do perfil de altitude no gráfico, enquanto a
altitude máxima de 842 m corresponde ao distrito de Salamanca, no lado direito do perfil de altitude.
5
Fig. 4 – Rota e perfil de altitude de um ensaio de estrada realizado entre Coimbra e Salamanca
Fig 5 – Evoluções temporais das velocidades do veículo em relação ao solo e em relação ao ar
Na Figura 5 representa-se a velocidade de deslocamento medida pelo sistema GPS e a velocidade relativa entre o
veículo e o ar calculada a partir dos valores da pressão dinâmica medida na frente do veículo. Desde o início da
contagem, até cerca de 10 minutos, os desenvolvimentos de velocidade correspondem ao caminho do veículo a
partir do interior da cidade de Coimbra para a portagem de Coimbra Norte- na autoestrada A1. Do minuto 10 ao 40,
uma velocidade nominal constante de 120 km/h é mantida na rota até a saída da A1 para a A25, altura em que a
direção do deslocamento na figura 4 se altera de Norte-Sul para Oeste-Este.
6
A velocidade constante de 120 km/h foi mantida até ao minuto 77, onde a diminuição observada se deveu à
existência de uma zona com radar, onde a velocidade máxima de circulação permitida é de 80 km / h. A partir do
minuto 77 até ao 130, manteve-se uma velocidade estabilizada de 120 km/h, tendo ocorrido uma perda de sinal
GPS por volta do minuto 117. A alteração de velocidade entre os 125 e 130 minutos, deveu-se à zona de fronteira
entre Portugal e Espanha. Entre os 132 e 187 minutos, a velocidade constante de 120 km/h foi mantida até à saída
de autoestrada para Salamanca. Analisando em conjunto as evoluções temporais das duas velocidades indicadas na
figura 5, é possível concluir que, na maior parte do tempo, o deslocamento foi feito com vento de cauda, uma vez
que a velocidade relativamente ao ar é consistentemente mais baixa do que a velocidade do carro relativamente ao
solo. Tipicamente, a velocidade relativamente ao ar foi cerca de 10 km/h menor do que a velocidade relativamente
ao solo.
Na figura 6, são mostradas as evoluções temporais das quatro componentes de força associadas ao deslocamento do
veículo. As evoluções apresentadas foram calculadas usando os termos incluídos no segundo membro da equação 2
e os dados recolhidos pelo sistema de aquisição de dados instalado no veículo. Os valores são apresentados em
pontos separados por intervalos de 10 segundos. Assumiu-se que o trajeto entre dois pontos consecutivos foi linear
e com declive constante. O valor de deslocamento foi calculado multiplicando a velocidade média entre dois pontos
consecutivos pela duração do intervalo de tempo, enquanto o ângulo de inclinação foi determinado como o arco
cuja seno é o quociente entre diferença de altitudes entre dois pontos consecutivos e o deslocamento linear entre os
mesmos.
Para o cálculo da resistência aerodinâmica, foram usados os valores de catálogo do fabricante Cd = 0,29, para o
coeficiente de resistência aerodinâmica, e a área frontal projetada A = 2,23 m2. A massa do carro nas condições de
ensaios foi medida tendo sido obtido um valor de 1720 kg. Os coeficientes de atrito K0 e K1 usados no cálculo da
resistência foram determinados através do processamento de dados de ensaios de desaceleração.
Fig. 6 – Evoluções temporais das quatro componentes de força durante o ensaio de estrada
Na figura 6, a resistência aerodinâmica, representada pela linha a traço cheio cinzento claro, varia entre 250 e
440 N, enquanto a resistência de rolamento, representada pela linha preta tracejada é bastante constante,
tipicamente de 175 N, ao longo de todo o curso, uma vez que a velocidade é constante e o efeito das alterações
de inclinação é muito fraca na resistência ao rolamento. As forças de inércia, representadas por uma linha preta a
traço cheio, apresentaram valores absolutos muito baixos, oscilando em torno de zero, sendo as flutuações
devidas às respostas do sistema de controlo da velocidade de cruzeiro em função das mudanças da carga do
motor. A linha a tracejado cinzento claro representa a evolução das forças gravitacionais que tiveram alterações
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muito fortes, com a sua amplitude variando tipicamente entre -1400 e 1400 N, devido aos efeitos da inclinação
da estrada durante a viagem.
A evolução da soma das quatro componentes da força é representada na figura 7, juntamente com a evolução do
consumo de combustível em litros/100 km. O nível médio da força total, que é cerca de 590 N, é principalmente
garantido pela soma das resistências aerodinâmicas e de rolamento, enquanto as suas variações são devidas
principalmente a alterações na força gravitacional, com um efeito quase negligenciável das variações da força de
inércia. O valor máximo da força total 1923 N ocorreu cerca do minuto 47 quando o veículo estava a subir uma
das zonas de maior declive, correspondendo a uma potência máxima de tração de 64,1 kW nas rodas de carro.
Fig. 7 – Evoluções temporais da força total calculada e do consumo de combustível medido
É patente uma muito boa correlação entre os valores da força total calculada e o consumo de combustível
medido, sendo muito semelhantes os padrões das evoluções temporais das duas quantidades. É também
facilmente identificada uma alteração da natureza dos dois sinais após o minuto 140, quando diminui a
ocorrência de declives mais pronunciados no terreno.
Na figura 10, o consumo de combustível em litros/100 km é representado como uma função da força motriz
média ao longo de intervalos com uma duração de 10 segundos, nas fases em que o sistema de controlo da
velocidade de cruzeiro estava ativo. Uma vez que a velocidade do carro foi mantida quase constante (a
velocidade média foi de 120,2 km / h, com um desvio padrão de 0,39 km/h) e a caixa de engrenagens foi mantida
sempre em sexta, a velocidade de rotação do motor de carro pode também ser considerada praticamente
constante. Assim, a linha de tendência utilizada para ajustar os pontos experimentais de dados da figura 10, é
como um corte no mapa de consumo específico do motor, em que a carga é crescente e a velocidade de rotação
do motor foi mantida constante.
Os valores reais de consumo de energia foram obtidos multiplicando o volume medido do combustível
consumido em cada intervalo de tempo pelo poder calorífico inferior do gasóleo (35,9 MJ / litro). As
necessidades de energia para os mesmos intervalos foram calculadas multiplicando-se o valor de potência média
calculada pela duração do intervalo de tempo. Para o período total analisado, correspondente a um trajeto de
328 km percorridos com o sistema de controlo de velocidade de cruzeiro ativado, os valores acumulados de
energia são, respetivamente, 192,5 MJ, para a energia teórica requerida, e 769,8 MJ, para o consumo real de
energia, o que significa um valor de eficiência de conversão energética de 25,01%. Este valor é confirmado
através da análise visual da Figura 9 onde é patente uma relação da ordem de 4 para 1, entre as duas evoluções
representadas. Em termos do indicador de energia por quilómetro percorrido, os valores são 2,35 MJ / km, para o
consumo real de energia e de 0,59 MJ /, km, para as necessidades teóricas de energia.
8
Fig. 8 – Consumo de combustível medido em função da força motriz calculada e histograma dos dados de
consumo
Figure 9 – Evoluções temporais dos consumos de energia (real e requerida) em intervalos de 10 s
9
5
CONCLUSÕES
Uma nova metodologia para realizar testes de estrada com veículos equipados com motores de combustão
interna foi desenvolvida. A metodologia é baseada no acoplamento dos dados resultantes do sistema de aquisição
instalado a bordo com os cálculos efetuados com recurso a um modelo simplificado do balanço de forças durante
o movimento do veículo, a fim de obter a eficiência de conversão de energia do sistema de propulsão do carro.
Os resultados obtidos no conjunto de testes realizados com condições meteorológicas estáveis indicam um bom
nível de precisão do sistema.
O sistema de aquisição de dados e de análise e a metodologia de cálculo foram testados num ensaio de estrada
com a duração de 3 horas, a uma velocidade do veículo constante de 120 km / h. As correlações entre as
medições dos consumos de combustível e as potências necessárias para garantir o deslocamento do veículo ao
longo de cada troço elementar do percurso são muito elevadas, o que demonstra o potencial de utilização do
método apresentado para calcular a eficiência de conversão de energia do sistema de propulsão do carro ao longo
de uma viagem.
Novos desenvolvimentos estão previstos para melhorar a metodologia descrita, nomeadamente através da
correção do efeito de alguns fatores perturbadores, como, por exemplo, os parâmetros ambientais, como a
altitude, pressão barométrica e temperatura do ar, as alterações na resistência ao rolamento devido a situações de
curva e a correção da massa do veículo, em testes de longa duração, devido ao consumo de combustível.
6
REFERÊNCIAS
1.
L. Serrano, V. Carreira, R. Câmara and M. G. d. Silva, "On-road performance comparison of two identical
cars consuming petrodiesel and biodiesel," Fuel Processing Technology, p. 9, 2011.
2.
M. Ghodsirad, J. Teixeira, P. Breda, C. Campos, L. Serrano and M. Gameiro da Silva, "A Methodology to
Evaluate the Performance and Consumption of Vehicles in Comparative On-Road Tests," in FISITA World
Automotive Congress, 2-6 June, Maastricht, 2014.
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