Metodologia de Cálculo de Consumos de Combustível … · iii Agradecimentos A presente...

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Metodologia de Cálculo de Consumos de Combustível e Emissões de Poluentes Baseada em Perfis de Condução Rodrigo Hibon de Campos Dias de Carvalho Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica Orientador: Dr. Gonçalo Nuno Antunes Gonçalves Júri Presidente: Prof. Mário Manuel Gonçalves da Costa Orientador: Dr. Gonçalo Nuno Antunes Gonçalves Vogal: Prof. Tiago Alexandre Abranches Teixeira Lopes Farias Novembro 2014

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Metodologia de Cálculo de Consumos de Combustível e

Emissões de Poluentes Baseada em Perfis de Condução

Rodrigo Hibon de Campos Dias de Carvalho

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Orientador: Dr. Gonçalo Nuno Antunes Gonçalves

Júri

Presidente: Prof. Mário Manuel Gonçalves da Costa

Orientador: Dr. Gonçalo Nuno Antunes Gonçalves

Vogal: Prof. Tiago Alexandre Abranches Teixeira Lopes Farias

Novembro 2014

ii

iii

Agradecimentos

A presente dissertação é o resultado do trabalho que desenvolvi ao longo dos últimos meses. Foi um

percurso sinuoso e repleto de desafios, por vezes complexos. Como tal não posso deixar de agradecer

àqueles que estiveram sempre presentes e me apoiaram incondicionalmente, contribuindo assim para

o sucesso desta etapa do meu percurso académico.

Ao Professor Gonçalo Gonçalves, na qualidade de orientador, agradeço toda a disponibilidade,

paciência e dedicação inexcedíveis com que me acompanhou e direccionou ao longo deste projecto.

À Toyota Caetano Portugal, em especial ao António Costa, agradeço o apoio e a oportunidade de ter

realizado a minha tese sob os auspícios de uma grande empresa portuguesa, que tão bem representa

no difícil contexto nacional uma das maiores marcas do mundo.

A toda a minha família e aos meus amigos mais próximos, agradeço o incentivo e a oportunidade de

partilha de bons momentos de lazer e descontracção, não só nos últimos meses, mas ao longo dos

últimos cinco anos.

Á Beatriz, agradeço todo o amor, paciência e dedicação. Um obrigado muito especial pela

compreensão excepcional com que me apoiou e encorajou para, mesmo estando eu a viver e a

trabalhar em Bruxelas, prosseguir e concluir a presente tese. Sei que não foi fácil.

Aos meus pais, a quem devo tudo o que sou e alcancei na vida, dedico esta dissertação que é o

culminar dos últimos cinco anos de trabalho. Agradeço-lhes toda a minha educação e tudo o que me

proporcionaram, bem como todo o apoio e força com que sempre me motivaram a procurar exceder-

me constantemente.

A todos, expresso a minha mais sincera gratidão.

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v

Resumo

Utilizando um colector de dados OBD (i2D) para recolher informação a 1 Hz, foram monitorizados

veículos a gasolina e a diesel com o intuito de registar os dados necessários ao cálculo do consumo

de combustível instantâneo dos mesmos. Recorrendo à metodologia “Vehicle Specific Power” (VSP),

os dados recolhidos permitiram gerar distribuições genéricas de consumo de combustível e emissão

de CO2 em função da potência específica dos automóveis num dado instante, bem como definir e

caracterizar diferentes perfis de condução.

O VSP agrupa conjuntos de pontos com diferentes características e condições de operação em classes

de semelhantes potências requisitadas ao veículo, apresentando por isso algumas limitações. Assim,

foi desafiada a robustez da metodologia, tendo sido avaliada a influência dos parâmetros dos quais

depende directamente (aceleração, velocidade e declive da estrada), bem como da velocidade de

rotação do motor.

Com o intuito de obter uma metodologia mais robusta e precisa, capaz de distinguir as diferentes

situações de condução e produzir estimativas mais próximas da realidade, foram então introduzidas

algumas alterações ao VSP original, tendo a nova ferramenta sido denominada de “Improved Vehicle

Specific Power”, I-VSP.

O I-VSP foi testado e validado, tendo sido posteriormente aplicado para intercalar diferentes veículos

e condutores, permitindo assim avaliar o impacto de cada uma das combinações no consumo de

energia. Em média, o I-VSP permitiu obter estimativas com um erro relativo aos consumos de

combustível reais de apenas 3,97% para um veículo convencional a gasolina e de 4,05% para um

veículo a diesel.

Palavras-Chave:

Perfil de condução; Caracterização de veículos; Intercalar veículos e condutores; Eficiência energética

vi

vii

Abstract

Petrol and diesel vehicles were monitored by means of an OBD data logger (i2D) recording data at 1

Hz, in order to acquire the necessary information for the calculation of the instantaneous fuel

consumption of the vehicles. Using the "Vehicle Specific Power" (VSP) methodology, the collected data

allowed producing generic distributions of fuel consumption and CO2 emissions depending on the

specific power of the motor at a given time, as well as defining and characterizing different driving

profiles.

In VSP, points with different operation conditions and characteristics are grouped in homogeneous

classes of similar power demand and hence, the methodology presents some limitations. Thus, the

robustness of the methodology was challenged and therefore the influence of the parameters on which

VSP depends directly (acceleration, speed and road grade), and of the rotational speed of the engine

were studied. In order to obtain a more robust and reliable methodology, able to distinguish the different

driving situations and produce estimates closer to reality, some changes to the original VSP were then

introduced. The new tool has been named "Improved Vehicle Specific Power", I-VSP.

After the new methodology was tested and validated, it was used to combine different vehicles and

drivers, allowing to assess the impact of each one of the combinations in terms of energy consumption.

On average, the error between the real fuel consumptions and the values estimated with I-VSP was

only 3,97% for the a conventional gasoline vehicle and 4,05% for a conventional diesel vehicle.

Keywords:

Driving Profile; Vehicles Characterization; Combine vehicles and drivers; Energy efficiency

viii

ix

Índice

1. Introdução ...................................................................................................................... 1

1.1. Estado da Arte ............................................................................................................ 6

1.2. Propósito da Tese .................................................................................................... 11

1.3. Objectivos ................................................................................................................ 11

1.4. Estrutura da Tese ..................................................................................................... 12

2. Metodologias de Obtenção de Dados Experimentais ................................................... 13

2.1. Modelação ................................................................................................................ 13

2.2. Técnicas de Medição Experimental .......................................................................... 15

2.3. Dispositivo de Recolha de Dados OBD .................................................................... 17

2.4. Sistema de Medição de Emissões Portátil (PEMS) .................................................. 18

2.5. Procedimentos Experimentais .................................................................................. 19

2.6. Cálculo do Consumo de Combustível e Emissões de CO2 ....................................... 20

3. Caracterização dos Veículos e dos Perfis de Condução .............................................. 23

3.1. VSP - Vehicle Specific Power ................................................................................... 23

3.2. Influência dos Parâmetros no VSP ........................................................................... 26

3.2.1. Influência da Velocidade de Rotação do Motor (rpm) no VSP ............................... 28

3.2.2. Influência da Velocidade, Aceleração e Declive da Estrada no VSP ..................... 31

3.2.3. Conclusão ............................................................................................................. 36

4. I-VSP – Improved Vehicle Specific Power .................................................................... 37

4.1. Definição .................................................................................................................. 37

4.2. Validação da Metodologia Desenvolvida .................................................................. 41

4.3. Aplicação da Metodologia a um Veículo Diesel ........................................................ 50

4.4. Conclusão ................................................................................................................ 54

5. Casos de Estudo .......................................................................................................... 55

5.1. Comparação de Condutores ..................................................................................... 55

6. Conclusões e Trabalho Futuro ..................................................................................... 63

6.1. Conclusões .............................................................................................................. 63

6.2. Trabalho Futuro ........................................................................................................ 66

7. Referências Bibliográficas ............................................................................................ 67

ANEXO I ................................................................................................................................ i

ANEXO II .............................................................................................................................. ix

x

xi

Índice de Figuras

Figura 1 – Evolução da taxa de motorização na UE (27 países) de 1991 a 2009 [4] ............................ 1

Figura 2 – Consumo mundial de petróleo por sector em 2010 [6].......................................................... 2

Figura 3 – Emissões de CO2 por sector no Mundo em 2011 [8] ............................................................ 3

Figura 4 – Emissões de CO2 (GtCO2) do sector dos transportes em 1990 e em 2011 [8] .................... 4

Figura 5 – Emissões de poluentes locais e parque automóvel na UE [11] ............................................ 5

Figura 6 – Perfil de Velocidade do ciclo NEDC [30] ............................................................................... 6

Figura 7 – Consumo de energia por tipo de tecnologia de veículo (tank-to-wheel) [20] ...................... 10

Figura 8 – Emissões de CO2 por tipo de tecnologia de veículo (Well-to-wheel) [20] ........................... 10

Figura 9 – Esquema de um Banco de Ensaio ...................................................................................... 15

Figura 10 – Esquema exemplificativo da técnica de “Remote Sensing” .............................................. 15

Figura 11 – Componentes do colector de dados (data logger) i2D ...................................................... 17

Figura 12 – Componentes principais do VE-Lab e locais de instalação num veículo ligeiro [23] ........ 18

Figura 13 – Toyota Yaris 1.0L ............................................................................................................... 19

Figura 14 – Instalação Experimental i2D. A – Colector de dados colocado ao lado do assento do

condutor; B – Ficha plug-in OBD; C – Antena GPS colocada no painel frontal do automóvel ............ 19

Figura 15 – Distribuição de tempo por modo VSP - “C. Mista SI” ........................................................ 26

Figura 16 – Consumo combustível instantâneo médio por modo VSP do Toyota Yaris- “C. Mista SI” 27

Figura 17 – Emissões instantâneas médias de CO2 por modo VSP do Toyota Yaris – “C. Mista SI” . 27

Figura 18 – Velocidade de rotação média do motor em cada modo VSP – “C. Mista SI” ................... 28

Figura 19 – Distribuição de tempo por rpm e modo VSP – “Caracterização3” .................................... 29

Figura 20 – Consumo de combustível por rpm e modo VSP – “C. Mista SI” ....................................... 30

Figura 21 – Peso relativo das componentes do VSP [%] – “C. Mista SI” ............................................. 31

Figura 22 – Consumo total de combustível por modo VSP – “C. Mista SI” .......................................... 32

Figura 23 – Distribuição de tempo por VSPv/VSPa e modo VSP – “C. Mista SI” ................................ 34

Figura 24 – Consumo de combustível por VSPv/VSPa e modo VSP – “C. Mista SI” ........................... 35

Figura 25 – Consumo de combustível instantâneo por VSPv/VSPa e Modo VSP para rpm ≤ 3000 – “C.

Mista SI” ................................................................................................................................................ 38

Figura 26 – Consumo de combustível instantâneo por VSPv/VSPa e modo VSP para rpm > 3000 – “C.

Mista SI” ................................................................................................................................................ 39

Figura 27 – Consumo de combustível instantâneo por modo I-VSP – “C. Mista SI”............................ 38

Figura 28 – Emissões instantâneas de CO2 por VSPv/VSPa e modo VSP para rpm ≤ 3000 – “C. Mista

SI” .......................................................................................................................................................... 39

Figura 29 – Emissões instantâneas de CO2 por VSPv/VSPa e modo VSP para rpm > 3000 – “C. Mista

SI” .......................................................................................................................................................... 40

Figura 30 – Distribuição de tempo por modo VSP [%] – Caracterizações Toyota Yaris ...................... 42

Figura 31 – Distribuição de tempo por modo VSP [%] – Viagens Toyota Yaris ................................... 44

Figura 32 – Estudo da convergência do erro com a velocidade de rotação de corte – Toyota Yaris .. 47

Figura 33 – Distribuição de tempo por modo VSP – Caracterização Veículo Diesel ........................... 50

xii

Figura 34 – Distribuição de tempo por modo VSP [%] – Viagens Veículo Diesel ................................ 51

Figura 35 – Estudo da convergência do erro com a velocidade de rotação de corte – Veículo Diesel52

Figura 36 – Distribuição de tempo por modo VSP [%] – Condutor A e Condutor B............................. 56

Figura 37 – Distribuição de tempo por modo VSP [%] – Condutor C e Condutor D ............................ 57

Figura 38 – Comparação consumo combustível médio estimado e real – Toyota Yaris ..................... 59

Figura 39 – Comparação custo anual de combustível estimado e real – Toyota Yaris ....................... 59

Figura 40 – Comparação consumo combustível médio estimado e real – Veículo Diesel .................. 60

Figura 41 – Comparação custo anual de combustível estimado e real – Veículo Diesel .................... 60

xiii

Índice de Tabelas

Tabela 1 – Legislação Standard da UE para veículo de passageiros [31] ............................................. 7

Tabela 2 – Definição dos modos VSP .................................................................................................. 24

Tabela 3 – Valores de consumo de combustível por modo VSP; média, desvio padrão e número de

pontos usados ....................................................................................................................................... 26

Tabela 4 – Valores de consumo de combustível por modo VSP; média, desvio padrão e número de

pontos usados ....................................................................................................................................... 27

Tabela 5 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para rpm ≤ 3000; média, desvio

padrão e número de pontos usados ..................................................................................................... 29

Tabela 6 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para rpm > 3000; média, desvio

padrão e número de pontos usados ..................................................................................................... 29

Tabela 7 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para VSPv/VSPa ≤ 0,1; média, desvio

padrão e número de pontos usados ..................................................................................................... 34

Tabela 8 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para 0,1 ≤ VSPv/VSPa < 0,6; média,

desvio padrão e número de pontos usados .......................................................................................... 35

Tabela 9 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para VSPv/VSPa > 0,6; média, desvio

padrão e número de pontos usados ..................................................................................................... 35

Tabela 10 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para VSPv/VSPa ≤ 0,1 e rpm ≤ 3000;

média, desvio padrão e número de pontos usados .............................................................................. 38

Tabela 11 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para 0,1 ≤ VSPv/VSPa < 0,6 e rpm ≤

3000; média, desvio padrão e número de pontos usados .................................................................... 38

Tabela 12 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para VSPv/VSPa > 0,6 e rpm ≤ 3000;

média, desvio padrão e número de pontos usados .............................................................................. 38

Tabela 13 – Valores de consumo de combustível por Modo VSP para VSPv/VSPa ≤ 0,1 e rpm > 3000;

média, desvio padrão e número de pontos usados .............................................................................. 39

Tabela 14 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para 0,1 ≤ VSPv/VSPa < 0,6 e rpm >

3000; média, desvio padrão e número de pontos usados .................................................................... 39

Tabela 15 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para VSPv/VSPa > 0,6 e rpm > 3000;

média, desvio padrão e número de pontos usados .............................................................................. 39

Tabela 16 – Valores de emissões de CO2 por modo VSP para VSPv/VSPa ≤ 0,1 e rpm ≤ 3000; média,

desvio padrão e número de pontos usados .......................................................................................... 39

Tabela 17 – Valores de emissões de CO2 por modo VSP para 0,1 ≤ VSPv/VSPa < 0,6 e rpm ≤ 3000;

média, desvio padrão e número de pontos usados .............................................................................. 39

Tabela 18 – Valores de emissões de CO2 por modo VSP para VSPv/VSPa > 0,6 e rpm ≤ 3000; média,

desvio padrão e número de pontos usados .......................................................................................... 39

Tabela 19 – Valores de emissões de CO2 por modo VSP para VSPv/VSPa ≤ 0,1 e rpm > 3000; média,

desvio padrão e número de pontos usados .......................................................................................... 40

Tabela 20 – Valores de emissões de CO2 por modo VSP para 0,1 ≤ VSPv/VSPa < 0,6 e rpm > 3000;

média, desvio padrão e número de pontos usados .............................................................................. 40

xiv

Tabela 21 – Valores de emissões de CO2 por modo VSP para VSPv/VSPa > 0,6 e rpm > 3000; média,

desvio padrão e número de pontos usados .......................................................................................... 40

Tabela 22 – Detalhes das caracterizações do Toyota Yaris 1.0L ........................................................ 42

Tabela 23 – Detalhes das viagens do Toyota Yaris 1.0L ..................................................................... 43

Tabela 24 – Consumo de combustível médio [l/100km] e emissões de CO2 exactos ......................... 44

Tabela 25 – Consumo médio estimado – VSP ..................................................................................... 45

Tabela 26 – Erro relativo [%] – VSP ..................................................................................................... 45

Tabela 27 – Intervalos de erro relativo (erro mínimo e máximo) [%] – I-VSP ...................................... 46

Tabela 28 – Velocidade de rotação de corte utilizada para obter o erro relativo mínimo .................... 46

Tabela 29 – Valores de VSPv/VSPa utilizados para obter o erro relativo mínimo ............................... 46

Tabela 30 – Parâmetros recomendados para aplicação I-VSP Toyota Yaris 1,0L .............................. 48

Tabela 31 – Consumo médio estimado para parâmetros recomendados e respectivo erro relativo – I-

VSP ....................................................................................................................................................... 48

Tabela 32 – Erro relativo médio [%] utilizando os parâmetros recomendados – I-VSP ....................... 48

Tabela 33 – Redução do erro relativo [%] I-VSP vs VSP ..................................................................... 48

Tabela 34 – Emissões de CO2 estimadas [g/km] de cada viagem – I-VSP ......................................... 49

Tabela 35 – Valores de Homologação do Toyota Yaris 1.0L ............................................................... 49

Tabela 36 – Detalhes da caracterização do Veículo Diesel 1.6L ......................................................... 50

Tabela 37 – Detalhes das viagens do Veículo Diesel 1.6L .................................................................. 51

Tabela 38 – Consumo de combustível médio [l/100km] e emissões de CO2 exactos ......................... 52

Tabela 39 – Parâmetros recomendados para aplicação I-VSP - Veículo Diesel ................................. 53

Tabela 40 – Consumo médio estimado para parâmetros recomendados e respectivo erro relativo – I-

VSP ....................................................................................................................................................... 53

Tabela 41 - Erro relativo médio [%] parâmetros recomendados – I-VSP ............................................. 53

Tabela 42 – Emissões de CO2 estimadas [g/km] de cada viagem – I-VSP ......................................... 53

Tabela 43 – Valores de Homologação do veículo diesel ...................................................................... 53

Tabela 44 – Resumo validação I-VSP (Parâmetros recomendados e erro médio).............................. 54

Tabela 45 – Características dos condutores estudados ....................................................................... 55

Tabela 46 – Características do perfil de condução de cada condutor ................................................. 55

Tabela 47 – Estimativas de consumo e emissões de CO2 para o Toyota Yaris – I-VSP vs VSP ........ 57

Tabela 48 – Estimativas de consumo e emissões de CO2 para o Veículo Diesel – I-VSP vs VSP ..... 57

Tabela 49 – Preço médio da gasolina e do gasóleo em Portugal a 10 Setembro 2014 ...................... 58

xv

Lista de Acrónimos

C. Mista SI

C. Urbana SI

C. Extra-Urbana SI

C. Mista DI

C. Urbana DI

C. Extra-Urbana DI

DI

EPA

EUA

EUDC

EV

FTP

GEE

GPS

HEV

HV

ICEV

I-VSP

i2D

NEDC

OBD

ONU

PEMS

PHEV

RPM

SI

UDC

UE

UNECE

VSP

V. Mista SI

V. Urbana SI

V. Extra-Urbana SI

V. Mista DI

V. Urbana DI

V. Extra-Urbana DI

Caracterização Mista – “Spark Ignition”

Caracterização Urbana – “Spark Ignition”

Caracterização Extra-Urbana – “Spark Ignition”

Caracterização Mista – Diesel

Caracterização Urbana – Diesel

Caracterização Extra-Urbana – Diesel

Diesel

Environmental Protection Agency

Estados Unidos da América

Extra-Urban Driving Cycle

Electric Vehicle

Federal Test Procedure

Gases de Efeito de Estufa

Global Positioning System

Hybrid Electric Vehicle

Hydrogen Vehicle

Internal Combustion Engine Vehicles

Improved Vehicle Specific Power

Intelligence to Drive

New European Driving Cycle

On-Board Diagnostic

Organização das Nações Unidas

Portable Emission Measurement System

Plug-in Hybrid Vehicle

Rotações por Minuto

Spark Ignition

Urban Driving Cycle

União Europeia

United Nations Economic Commission for Europe

Vehicle Specific Power

Viagem Mista – “Spark Ignition”

Viagem Urbana – “Spark Ignition”

Viagem Extra-Urbana – “Spark Ignition”

Viagem Mista – Diesel

Viagem Urbana – Diesel

Viagem Extra-Urbana – Diesel

xvi

1

1. Introdução

A sociedade moderna, fruto da evolução tecnológica, é hoje profundamente dependente do sector dos

transportes. Os sistemas de transporte são da mais extrema importância para o comércio e para a

competitividade económica num mundo cada vez mais globalizado, seja ao nível da mobilidade de

pessoas ou de bens.

O transporte rodoviário, nomeadamente os automóveis, são inequivocamente o meio de transporte

mais presente no quotidiano das pessoas, não existindo qualquer dúvida acerca da sua importância

para a manutenção e melhoria dos nossos padrões de vida. Na verdade, o transporte rodoviário é o

maior consumidor de energia do sector dos transportes, representando mais de 70% da necessidade

energética total deste mesmo [1].

Ao longo dos últimos anos, tem-se assistido a um contínuo aumento das taxas de motorização um

pouco por todo o mundo (incluindo a UE), sendo que em alguns países desenvolvidos esse factor é já

superior a 500 carros por cada 1000 habitantes (1 automóvel para cada 2 pessoas). Assim, como

consequência, também o número de automóveis matriculados em todo o mundo tem vindo a bater

sucessivos recordes ano após ano [3].

Em 2009, a taxa média de motorização na UE (27 países) ultrapassou os 450 carros por 1000

habitantes [4].

Figura 1 – Evolução da taxa de motorização na UE (27 países) de 1991 a 2009 [4]

O indicador “Taxa de Motorização” é então definido como sendo o número de veículos de passageiros

por cada 1000 habitantes, onde por veículo de passageiros se entende um veículo de estrada, que

200

300

400

500

1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009Taxa

de

Mo

tori

zaçã

o n

a U

niã

o E

uro

pei

a (U

E-2

7)

2

não um motociclo, destinado ao transporte de passageiros e projectado para acomodar não mais de

nove pessoas (incluindo o motorista) [4].

Este aumento no número de carros por pessoa reflecte os grandes benefícios dos automóveis de

passageiros na vida das pessoas, proporcionando uma mais fácil mobilidade e maior conforto. No

entanto, o crescente número de veículos rodoviários no mundo (desde meados do século XX) acarreta

algumas preocupações que se prendem maioritariamente com o seu impacto ambiental negativo.

Assim, os problemas ambientais relacionados com este sector de transporte em específico podem ser

agrupados em três áreas principais: a incerteza de disponibilidade de recursos energéticos fósseis

(principalmente o petróleo) a preços acessíveis devido à sua escassez, as emissões de gases de efeito

estufa (GEE) e a poluição local (emissões de partículas e hidrocarbonetos).

À medida que a população mundial aumenta, a energia tem vindo a tornar-se uma das maiores

preocupações da humanidade no que ao seu futuro e sustentabilidade diz respeito. De acordo com o

International Energy Outlook 2013 [5], é previsto que o consumo energético total do sector dos

transportes, a nível mundial, cresça a uma taxa de cerca de 1,1% até 2040 (sendo a Índia e a China

os maiores responsáveis). Neste aumento das necessidades energéticas nos transportes, petróleo e

outros combustíveis líquidos (combustíveis fósseis) apresentam-se como sendo os mais importantes

componentes do “mix energético”, representando a maior parcela (63%) do crescimento total do

consumo de combustíveis fósseis no mundo.

Assim, a dependência que o sector dos transportes, em particular o transporte rodoviário, tem em

relação aos combustíveis derivados do petróleo é clara e inquestionável. O facto das reservas de

petróleo serem finitas, e a previsível futura escassez deste recurso, leva ao primeiro dos problemas

acima mencionados: a incerteza de disponibilidade de recursos energéticos fósseis a preços

acessíveis.

Figura 2 – Consumo mundial de petróleo por sector em 2010 [6]

Transformação11%

Transporte58%

Indústria21%

Outros10%

3

Desde o início da Revolução Industrial, as concentrações de gases de efeito estufa presentes na

atmosfera têm vindo a aumentar. Este é um fenómeno que se intensificou recentemente, sendo que

ao longo dos últimos 40 anos a concentração de GEE cresceu, apenas devido a causas antropológicas,

ou seja, devido a actividades humanas, aproximadamente 70% [7]. A queima de combustíveis fósseis,

amplamente utilizados no sector dos transportes, tem sido o principal responsável pelas emissões, de

causa humana, de dióxido de carbono (CO2), o principal GEE responsável pelas alterações climáticas

e consequente aquecimento global. Excluindo o sector da geração de electricidade e calor, o sector

dos transportes é o que apresenta as maiores emissões anuais de CO2 (Figura 3), tendo ainda como

agravante o facto de neste momento experimentar um processo de rápido aumento das emissões,

impulsionado maioritariamente pelo sector rodoviário (Figura 4).

Figura 3 – Emissões de CO2 por sector no Mundo em 2011 [8]

Este agravamento das emissões de gases de efeito estufa, especialmente o dióxido de carbono, tem

levantado preocupações comuns aos líderes de várias nações, em todo o mundo.

Como resultado, desde a criação do “Intergovernmental Panel on Climate Change” em 1988, a questão

das emissões de GEE tem sido amplamente discutida e abordada no âmbito internacional.

Desenvolveram-se então esforços cooperativos que culminaram com a assinatura do Protocolo de

Kyoto [9] em 1997, tendo este entrado em vigor no ano de 2005 e terminado a sua vigência em 2012.

No entanto, e prova da sua importância, a ONU e alguns governos já se comprometeram a elaborar

um novo acordo para a criação de novas metas de emissões de GEE.

Residencial6%

Outros9%

Indústria21%

Transportes22%

Indústria18%

Residencial11%

Outros13%

Electricidade e Calor42%

4

Figura 4 – Emissões de CO2 (GtCO2) do sector dos transportes em 1990 e em 2011 [8]

Outro grande problema relacionado com o transporte rodoviário é a poluição local. Poluentes como

óxidos de azoto (NOx), monóxido de carbono (CO), partículas (PM) e compostos orgânicos voláteis

(COV) podem causar efeitos graves e nefastos para a saúde das pessoas. De acordo com a publicação

“Health Effects of Transport-related Air Pollution” [10], a poluição do ar relacionada com os transportes

contribui consideravelmente para um aumento do risco de morte, principalmente de origem

cardiopulmonar e de cancro do pulmão. É por isso imperativo e urgente tornar os transportes

rodoviários mais limpos, com motores energeticamente mais eficientes, capazes de menores

consumos de combustível que levem à diminuição das emissões de escape.

Assim como acontece com as emissões de GEE, a poluição local tem sido igualmente alvo de grande

preocupação ao longo das últimas décadas, envolvendo fabricantes e governos colocando todos os

seus esforços em conjunto para reduzir a poluição do ar causada principalmente pelos automóveis.

Para analisar e avaliar as emissões de poluentes, bem como as emissões de GEE, do sector automóvel

têm então vindo a ser definidos ciclos de condução teste e legislação (Capítulo 1.1).

Na verdade, os cada vez mais apertados regulamentos impostos ao nível das emissões de gases de

veículos automóvel estão a surtir efeito, sendo prova a diminuição das emissões totais de poluentes

locais a nível global. A Figura 5 comprova que, apesar de um crescente número de automóveis em

todo o mundo, se constata uma acentuada diminuição das respectivas emissões.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

1990 2011

GtCO2

Aviation bunkers

Marine bunkers

Other transport

Domestic aviation

Domestic navigation

Road

5

Figura 5 – Emissões de poluentes locais e parque automóvel na UE [11]

Portanto, o maior desafio que o sector dos transportes enfrenta num futuro próximo é o de gerar

alternativas viáveis e sustentáveis para alimentar os novos veículos, proporcionando os mesmos níveis

de conforto e mobilidade sem os nefastos problemas ambientais e energéticos presentemente

existentes. Só assim será possível uma diversificação do “mix energético”, com a consequente

diminuição da dependência energética dos países, bem como uma redução substancial dos GEE e

das emissões de poluentes locais. Em relação aos transportes rodoviários, sendo esta uma indústria

cada vez mais personalizada, um compromisso entre o impacto ambiental causado pelos veículos, os

seus preços e consumos de combustível (acessibilidade e viabilidade) deve prevalecer. As

construtoras automóveis têm então nos últimos anos investido no desenvolvimento de veículos de

diferentes tecnologias tentando responder ao tal compromisso que se pede no sector dos transportes.

Assim, surgiram no mercado, por exemplo, para além dos convencionais diesel (DI) e gasolina (SI),

veículos híbridos (HEV), híbridos plug-in (PHEV), eléctricos (EV) e mais recentemente a hidrogénio

(HV).

Esta multiplicação das tecnologias de veículos disponíveis no mercado torna, para o consumidor, cada

vez mais difícil seleccionar aquele que melhor se adapta às suas finalidades, tendo em conta as

diferentes necessidades específicas, rotinas e perfis condução. A análise tradicional baseada nos

quilómetros conduzidos por ano e nos valores publicados para o consumo de combustível e emissões

não permite uma conclusão correcta e fiável pois, este tipo de análise não tem em consideração dois

factores capitais: os valores publicados para consumos de combustível e emissões não correspondem

ao uso real (porque eles são obtidos sob um ciclo de condução em condições de teste estacionárias);

e o comportamento de condução de cada condutor é variável, tendo este uma influência significativa,

especialmente em tecnologias de base eléctrica (onde têm um impacto directo na autonomia eléctrica

do veículo), nos consumos de combustível e nas emissões de gases.

É, por todas as razões e factos acima apresentados, importante desenvolver metodologias capazes

de avaliar de forma precisa e fiável os impactos que os comportamentos de condução e padrões de

uso têm ao nível dos consumos de combustível e das emissões nas diferentes tecnologias de veículos

existentes.

6

1.1. Estado da Arte

Conforme anteriormente referido, as emissões de poluentes foram já bastante reduzidas no passado,

sendo a tendência, que continuem a ser reduzidas durante os próximos anos. Actualmente, os

consumos de combustível e as emissões de poluentes de um veículo são calculados com base nos

ciclos de teste pré-definidos realizados em bancos de ensaio (“chassis dynamometers”). Estes ciclos

de ensaio aos quais os veículos são submetidos têm como principal propósito a sua homologação,

tornando assim possível comparar todos os veículos sob condições semelhantes. Os ciclos de teste e

as legislações vigentes variam dependendo do país ou do continente, sendo que vigoram

presentemente nos países da União Europeia, o ciclo NEDC (New European Driving Cycle) e a norma

EURO VI, que substituiu a EURO V em Setembro de 2014 (Tabela 1).

O ciclo de teste NEDC consiste na combinação de dois troços diferentes, um troço urbano, ECE-15 ou

UDC (“Urban Driving Cycle”), e um outro extra-urbano, EUDC (“Extra-Urban Driving Cycle”). Assim, o

ciclo de teste consiste em 4 repetições do ECE-15 (0 s aos 780 s), seguidas da realização de um ciclo

EUDC (780 s aos 1180 s). No final, o consumo de combustível combinado de um determinado veículo

é calculado através do consumo total registado durante todo o teste a dividir pela distância teórica

percorrida de 11023 metros. O NEDC tem uma duração total de 1180 segundos e uma velocidade

média de 33,6 km/h. Na Figura 6 é possível observar o perfil de velocidade de um ciclo de teste NEDC,

onde são facilmente distinguíveis os 4 ciclos ECE-15 e o ciclo EUDC.

Figura 6 – Perfil de Velocidade do ciclo NEDC [30]

1 × ECE-15

4 × ECE-15

1 × EUDC

7

Tabela 1 – Legislação Standard da UE para veículo de passageiros [31]

No entanto, é consensual entre investigadores e engenheiros que os resultados obtidos através destes

ciclos de ensaio com propósitos de homologação (NEDC na Europa, FTP-75 nos EUA e JC 08 no

Japão) não correspondem a uma reprodução precisa das condições de condução reais. Em 2006, Luc

Pelkmans e Patrick Debal [12] acompanharam dois veículos na Bélgica e em Espanha (em percursos

rurais, urbanos e de auto-estrada) e compararam posteriormente as emissões medidas com as

correspondentes emissões obtidas através da realização dos testes em bancos de ensaio,

especificamente através do ciclo NEDC. Ao sobreporem os resultados obtidos através das duas vias,

numa base de grama de combustível por quilómetro percorrido, foi constatado que as emissões obtidas

através do ciclo de certificação diferiam drasticamente dos resultados obtidos em condições de

condução real. O ciclo NEDC é então descrito por estes autores como "demasiado suave para ser

realista" [12], sendo caracterizado pelas suas baixas acelerações, baixa velocidade máxima, elevado

tempo em “idling”, velocidades predominantemente constantes e baixas com pouco tempo em regime

transiente e relações de caixa de velocidades favoráveis [13].

Assim, muitos estudos e pesquisas sobre como idealmente replicar as condições reais de condução

em laboratório têm sido realizados. Diversos modelos, como o Mobile [14] e o Moves [15], com o

objectivo de calcular as emissões de poluentes em condições reais de condução têm sido

desenvolvidos. Uma vez mais, estes modelos são maioritariamente baseados em bancos de ensaio e

por isso não são igualmente capazes de representar a total extensão das condições de condução reais,

incluindo todas as suas variáveis. Mais recentemente, Rosca [15] tentou, na sua dissertação de

mestrado uma abordagem diferente, tendo desenvolvido uma metodologia capaz de gerar ciclos de

ensaio de veículos ligeiros com base em dados recolhidos, em situações de condução real, a bordo de

veículos.

8

A estes problemas, acresce ainda uma outra limitação, a de não existir um ciclo de teste igual para

todas as regiões do mundo.

Tudo isto suporta claramente a ideia de que os ciclos de teste actuais são bastante imprecisos,

existindo a necessidade de desenvolver novos métodos e técnicas que permitam uma certificação dos

automóveis mais precisa e fiável. Para tal, o foco deve ser não só o desenvolvimento de novos ciclos

de teste, mas também a melhoria e uniformização dos procedimentos e condições de teste em uso.

Na verdade, tais imprecisões e limitações dos testes e metodologias em uso actualmente são até

reconhecidas pela Comissão Económica das Nações Unidas para a Europa (UNECE) e pela Agência

de Protecção Ambiental dos Estados Unidos da América (EPA) [16] [17], estando a UNECE até incluída

no desenvolvimento do “Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures” (WLTP), um novo ciclo

de teste que visa definir normas padrão globais para determinar as emissões de poluentes e de CO2.

Este é um teste que tem vindo a ser desenvolvido pela União Europeia em cooperação com a Índia e

com o Japão, estando a sua versão final prevista para Outubro de 2015 [18].

De acordo com o que foi anteriormente referido, outro factor que não permite que os ciclos de teste

repliquem de forma fiável as emissões de poluentes e o consumo de combustível reais, é o facto do

padrão de uso do carro e do comportamento de condução de cada indivíduo não serem contabilizados.

É evidente que, para o mesmo carro e distância percorrida, um condutor extremamente eficiente, que

conduza a uma velocidade constante consumirá menos combustível do que uma outra pessoa com

um estilo de condução muito agressivo e que execute muitas acelerações e travagens, originando a

grandes oscilações de velocidade. É também de fácil percepção o facto de que as emissões de

poluentes e o consumo de combustível de um veículo registados em condições de tráfego intenso e

engarrafamentos, serão superiores quando comparados com os valores obtidos para o mesmo carro,

fluindo o tráfego suavemente.

No entanto, o tráfego e o estilo de condução não são os únicos parâmetros dos quais o consumo de

combustível e as emissões dependem, pois estes, só por si são dependentes de muitas outras

variáveis tais como o estilo de vida, a idade, o sexo do condutor, rotinas, rotas, experiência, etc. A

combinação de todas estas variáveis define assim o padrão de condução de cada indivíduo sendo

este, apesar de depender de outros factores que não apenas a velocidade, geralmente associado ao

perfil da velocidade.

Esta tem também sido uma temática amplamente debatida no seio da comunidade científica. No seu

estudo, Ericsson [19] investigou o efeito dos diversos factores independentes de um perfil de condução

sobre as emissões de HC, NOx e CO2 e sobre o consumo de combustível. Ericsson concluiu que, entre

outros, os seguintes factores impactam significativamente sobre o consumo de combustível e as

emissões: elevadas acelerações, o tempo em que o veículo está parado (motor ao “ralenti”), oscilações

de velocidade, a velocidade do veículo e a velocidade da rotação do motor. No final, Ericsson apela a

9

que o futuro da política ambiental se concentre em adaptar as condições de condução, os condutores

e os veículos de forma a evitar a ocorrência de fortes acelerações e situações de elevadas potências

e velocidades de rotação do motor.

Nos últimos anos, o aumento das preocupações económicas, relacionadas com a saúde e ambientais

sobre os impactos dos transportes rodoviários têm colocado uma pressão extra ao nível da regulação

e legislação sobre a indústria automobilística, forçando-a a desenvolver veículos cada vez mais

eficientes e “verdes”. Assim, emergiram variadas novas tecnologias de veículos com o objectivo de

serem mais limpas, eficientes e económicas. No entanto, não é possível uma análise simples e

objectiva sobre qual é a "melhor" tecnologia, pelo que persiste a dúvida: Qual a tecnologia mais

ecológica, eficiente e económica?

Tornou-se por isso importante comparar os impactos ambientais (em termos de consumo de

combustível e emissão de poluentes) entre veículos com diferentes tecnologias de “powertrain”.

Assim fizeram Lorf et al. em 2013, no âmbito do artigo "Comparative analysis of the energy

consumption and CO2 emissions of 40 electric, plug-in hybrid electric, hybrid electric and internal

combustion engine vehicles" [20]. Para avaliar os impactos de cada tecnologia, foram analisados os

resultados do “Royal Automobile Club Hallo’s 2011 RAC Future Car Challenge”, uma competição em

que participaram veículos ligeiros eléctricos (EV), híbridos plug-in (PHEV), híbridos (HEV) e veículos

com motor de combustão interna (ICEV). O objectivo deste concurso passava por completar um

percurso de 91,94 km utilizando o mínimo de energia possível.

Os resultados foram reveladores, mostrando que a tecnologia motora dos veículos foi o factor que

maior influência teve quer no consumo de energia, quer nas emissões de poluentes. Em relação ao

consumo de energia foi observado que os automóveis eléctricos foram os energeticamente mais

eficientes (“tank-to-wheel”, ou seja, apenas a energia final directamente utilizado no carro), tendo

consumido, em média, 40% menos energia do que a média global. Seguiram-se, por ordem, os PHEV,

os HEV e finalmente ICEV, tendo estes últimos consumindo em média quase quatro vezes mais

energia do que os EV. Por fim, e uma vez que à partida menores consumos energéticos levam a

menores emissões, as emissões de CO2 confirmam que os veículos mais eficientes correspondem aos

que menos emitem, conforme se comprova na Figura 7.

Apesar de já existirem bastantes investigações e pesquisas relevantes sobre os três temas

supracitados, nomeadamente a imprecisão e não replicação de condições reais dos ciclos de teste, o

efeito dos perfis de condução nas emissões e consumo de combustível e o impacto que as novas

tecnologias de veículos têm ao nível energético e da poluição, existe ainda uma falta de ligação entre

todos eles. Seria por isso de extrema utilidade ter um elo de ligação entre todas estas temáticas para

que fosse possível avaliar os verdadeiros impactos ambientais e energéticos de cada par condutor-

automóvel, tendo em consideração todos os factores.

10

Figura 7 – Consumo de energia por tipo de tecnologia de veículo (tank-to-wheel) [20]

Figura 8 – Emissões de CO2 por tipo de tecnologia de veículo (Well-to-wheel) [20]

Assim, este trabalho tem como principal foco a definição de metodologias que permitam a avaliação

dos impactos que diferentes perfis de condução em situações de condução real (padrões de

condução), e em particular das suas variáveis independentes, associados a diferentes tecnologias de

veículos ligeiros (neste caso particular gasolina e diesel) têm nos consumos de combustível dos

veículos e nas respectivas emissões de GEE.

11

1.2. Propósito da Tese

A presente dissertação aborda a caracterização de automóveis e de perfis de condução de diferentes

condutores, estudando quais as variáveis independentes associadas ao comportamento de condução

que directamente afectam a eficiência dos veículos. Assim, a principal pergunta a que o presente

trabalho se propõe a responder é a seguinte:

Será que é possível, identificando separada e independentemente as características de um veículo e

de um condutor, combiná-las de modo a avaliar qual o impacto resultante no consumo de combustível

(e consequentemente nas emissões)?

1.3. Objectivos

Apresentam-se abaixo, de forma sumária, os principais objectivos do presente trabalho:

Avaliar de que forma as diferentes variáveis impactam na performance energética e ambiental

de veículos ligeiros e, em particular, como variam entre automóveis de diferentes tecnologias:

o Tecnologia do veículo

o Perfil de condução (e das suas variáveis independentes, como por exemplo, velocidade,

aceleração ou rotações do motor)

o Eventos específicos

o Condições de tráfego

Desenvolver uma metodologia que permita, para condições de condução real:

o Caracterização de veículos

o Caracterização de perfis de condução

o Combinar a caracterização de cada perfil de condução com um determinado veículo

para avaliar qual o impacto energético e ambiental de cada par veículo-condutor,

nomeadamente ao nível do consumo de combustível e emissões de CO2

O objectivo principal desta dissertação, passa assim por desenvolver, testar e validar, com a posterior

aplicação a casos de estudo, uma metodologia capaz de estimar o consumo de combustível e

emissões de CO2, utilizando dados de condução real recolhidos experimentalmente, baseada em perfis

de condução para diferentes tecnologias de veículos (no âmbito do presente trabalho apenas foram

abordadas as tecnologias de veículos a gasolina e a diesel). A grande dificuldade passa por obter uma

metodologia robusta, capaz de produzir resultados próximos da realidade para uma grande

variabilidade dos parâmetros de operabilidade.

12

1.4. Estrutura da Tese

A estrutura do presente trabalho encontra-se dividida nos 6 capítulos que são abaixo descritos:

O capítulo primeiro da dissertação consiste na introdução à temática em discussão ao longo do

trabalho, abordando-se tendências energéticas e de comportamento da sociedade actual, com

especial ênfase para o sector do transporte rodoviário e para as principais problemáticas que este

acarreta, nomeadamente a sua grande dependência e consumo de combustíveis fósseis e as suas

emissões de poluentes que encerram efeitos nefastos para o planeta. É ainda neste capítulo que se

inserem o estado da arte, a estrutura da tese e os seus objectivos.

No segundo capítulo são abordadas as metodologias de obtenção de dados utilizadas no presente

trabalho, desde os instrumentos e técnicas utilizados até aos procedimentos experimentais e aos

fundamentos teóricos necessários à obtenção dos dados necessários à realização do estudo

efectuado.

Posteriormente, no capítulo 3 é abordada a metodologia Vehicle Specific Power (VSP) como base de

partida, fazendo-se uma análise das suas vantagens e limitações bem como um estudo de quais as

variáveis independentes que afectam (e como afectam) os resultados da metodologia, o consumo de

combustível e a emissão de poluentes (em particular de CO2).

O capítulo 4 foca-se essencialmente na metodologia desenvolvida para a obtenção de consumos e

emissões baseada em perfis de condução. Assim, esta é apresentada, definida, testada e por fim

validada, sendo para tal simuladas diferentes combinações de circunstâncias com o objectivo de

assegurar a sua robustez perante a variabilidade de parâmetros de operação à qual pode ser sujeita.

O quinto e penúltimo capítulo trata a aplicação da metodologia desenvolvida a casos de estudo

particulares, visando aferir quais os efeitos que os condutores distintos produzem em duas tecnologias

de veículos distintas, veículo com motor de ciclo Otto e de ciclo Diesel.

Por fim, no sexto e último capítulo são revistas as principais conclusões do trabalho, bem como são

deixadas sugestões de trabalho a desenvolver futuramente na continuação da presente dissertação.

13

2. Metodologias de Obtenção de Dados Experimentais

2.1. Modelação

Os métodos de modelação de consumos de combustível e de emissões de poluentes existentes

utilizam valores de consumo de combustível e factores de emissão juntamente com parâmetros de

operação dos veículos para estimar tanto consumos como emissões correspondentes a uma

determinada viagem. Estes modelos podem ter por base ciclos de condução, emissões modais (“Modal

Emissions Models”) ou consumos de combustível.

Os modelos baseados em ciclos de condução são utilizados principalmente para fins de

regulamentação. Exemplos são o MOBILE (o principal modelo para calcular as emissões de frotas nos

EUA até 2010, e cuja última versão foi o MOBILE 6 [14]) e o COPERT (que executa a mesma tarefa

na Europa, e cuja versão actual é o COPERT 4 – Versão 10.0 [32] [33]).

Estes modelos utilizam factores de emissão baseados em determinados ciclos de condução

representativos de diferentes condições (urbano, extra-urbano, etc.) e velocidades médias. Estes ciclos

de condução são compostos por um perfil único de arranques, paragens, velocidades constantes,

acelerações e desacelerações, sendo tipicamente caracterizados por uma velocidade média

ponderada de todo o percurso.

No caso do modelo MOBILE, este utiliza os valores de emissões dados pelos ciclos FTP-75 e SFTP,

não só para a obtenção das emissões de veículos novos, como também de automóveis mais antigos.

Ainda assim, esses ciclos de condução apenas representam parcialmente as condições de condução

reais (ver capítulo 1.1), não considerando, por exemplo, as diferentes cargas do motor e a sua

velocidade de rotação para a determinação dos factores de emissão.

O modelo COPERT utiliza também ele uma abordagem semelhante, sendo que no entanto é aplicado

a veículos que circulam na Europa. Para cada categoria de veículo (dependendo do tamanho do motor,

combustível e padrão de emissão) é estabelecida uma correlação para as emissões médias por

distância percorrida (por quilómetro) a uma dada velocidade média. O valor obtido através da

correlação dada pelo modelo é ainda ajustado e corrigido face à temperatura ambiente e à topografia

registada.

Por outro lado existem também os chamados “Modal Emissions Models”, modelos baseados em

emissões modais, que relacionam directamente as emissões com o modo de operação dos veículos.

Estes modelos consideram situações de cruzeiro (velocidade constante), aceleração, desaceleração e

de “idle”. Desta forma, é possível distinguir as condições de operação do veículo e atribuir diferentes

valores de emissões a cada situação de condução específica, sejam, por exemplo, condições de

14

acelerações violentas, velocidades elevadas ou de muito elevada carga do motor. Os modelos de

emissões modais são geralmente desenvolvidos com base em dados medidos experimentalmente que

permitem identificar posteriormente as diferentes situações de condução real. Enquanto mais precisos

do que os modelos baseados em ciclos de teste, os “Modal Emissions Models” constituem ainda

aproximações limitadas, uma vez que não consideram factores como, por exemplo, a inclinação da

estrada. Um dos modelos que foi desenvolvido com base em emissões modais foi o CMEM

(“Comprehensive Modal Emissions Model”) [34].

É no entanto possível uma abordagem mais detalhada onde, utilizando os mesmos dados

experimentais obtidos (seja através de testes em “Chassis Dynamometers” ou recolhidos em estrada

pelo uso de PEMS ou colectores de dados OBD), em vez de considerar apenas os modos de condução

básicos (situações de velocidade constante, aceleração, “idle”, etc.), com base no perfil de condução

dinâmico e na topografia da estrada, calcular para cada ponto medido a potência requerida pelo

veículo. A metodologia VSP – Vehicle Specific Power (Potência Específica do Veículo) traduz esta

abordagem mais precisa. Assim, mediante a aplicação do VSP, a cada instante de medição (o VSP

requer que as medições sejam feitas a uma frequência suficientemente elevada, tipicamente superior

a 1 Hz), corresponde uma potência específica, um consumo de combustível e uma taxa de emissão

de poluentes, permitindo que mediante a aplicação do VSP seja possível estimar as emissões e o

consumo de combustível de ciclos de condução real para diferentes veículos. Esta metodologia é

utilizada como base do modelo MOVES (cuja versão actual é o MOVES2014), substituto do MOBILE

6 desde 2010 nos Estados Unidos da América [15]. O VSP apresenta-se descrito em maior detalhe no

capítulo 3.1, uma vez que, sendo aquela que se afigura como sendo mais detalhada e fiável,

representando mais fidedignamente situações de condução real, foi a ferramenta de modelação

escolhida para servir como base ao desenvolvimento de todo o presente trabalho.

É ainda possível uma aproximação à modelação dos consumos de combustível e das emissões dos

veículos, sendo esta a utilização de mapas do motor. Neste género de abordagem, o perfil dinâmico e

a topografia do terreno são traduzidos pela carga do motor do veículo e pela sua velocidade de rotação,

em rpm, de modo a poder obter os valores de consumo e emissões recorrendo ao mapeamento dos

motores. Estes mapas, embora não sejam obrigatórios para a certificação dos veículos são elaborados

pela maioria dos fabricantes (embora geralmente não sejam públicos) utilizando um banco de ensaio

para motores. Os mapas resultantes fornecem então as emissões de poluentes e os consumos de

combustível específicos (normalmente em g/s ou g/kWh). Alguns dos modelos que utilizam esta

abordagem são o ECOGEST [35], o ADVISOR [36] e o PSAT [37].

Nos modelos puramente baseados no consumo de combustível, os factores de emissão de poluentes

são geralmente normalizados para o consumo de combustível e expressos em gramas de poluente

emitido por unidade de combustível queimado, em vez das habituais gramas de poluente por unidade

de distância.

15

2.2. Técnicas de Medição Experimental

No que concerne a técnicas de medição experimental de automóveis, são frequentemente utilizadas

sensores remotos (“Remote Sensing”), bancos de ensaio (Chassis Dynamometers) e medições a

bordo do veículo em condução real (On-board Measuring).

A técnica de “Remote Sensing” (Figura 10) permite medir concentrações de poluentes, como CO e HC

nos gases de escape após a passagem de um automóvel por um sensor, recorrendo para tal a

espectroscopia infravermelha (IV) e ultravioleta (UV).

Por seu lado, os bancos de ensaio (Figura 9) são usualmente utilizados para a avaliação do impacto

energético e ambiental de diferentes tecnologias de veículos sob ciclos de teste predefinidos, como

são exemplo os ciclos de certificação (NEDC na Europa e FTP nos EUA).

Figura 9 – Esquema de um Banco de Ensaio

Figura 10 – Esquema exemplificativo da técnica de “Remote Sensing”

No entanto, de acordo com os objectivos do presente trabalho, em que se pretende caracterizar

veículos e condutores em condições de condução real a técnica de medição experimental mais

adequada é a de “On-board Measuring”.

16

Para a utilização desta técnica, foi então necessário recorrer a ferramentas que permitissem a medição

e o cálculo dos “outputs” inerentes à realização da tarefa proposta, sendo que destes se podem

destacar como os mais relevantes, o perfil dinâmico da viagem (velocidade vs tempo/distância), a

topografia, o consumo de combustível, e a emissão de poluentes. A verdade é que poucos destes

parâmetros são passíveis de ser directamente obtidos através da leitura de dados disponibilizados pela

viatura em medição, tendo assim na sua maioria que ser calculados a partir de diversas variáveis. Para

tal, dois tipos de dados foram utilizados:

Dados recolhidos previamente, com recurso a um Sistema de Medição de Emissões Portátil

(PEMS) e um dispositivo de recolha de dados através da porta OBD (On-board Diagnostics)

e, mais tarde, na impossibilidade de utilizar um sistema de medição portátil de emissões

(PEMS);

Dados experimentais recolhidos apenas com recurso a um “data logger” OBD, i2D. Em ambos

os casos acima referidos, a aquisição dos dados foi feita com a frequência de 1 Hz de modo a

obter validade estatística.

Para a caracterização de um veículo puramente do ponto de vista das emissões de poluentes e do

consumo de combustível, um sistema de medição de emissões é suficiente, no entanto, de modo a

relacionar emissões e consumo com um comportamento de condução específico foram utilizados

dispositivos de recolha de dados OBD.

17

2.3. Dispositivo de Recolha de Dados OBD

OBD, do inglês “On-Board Diagnostic” é um sistema de autodiagnostico disponível em quase todos os

automóveis que actualmente circulam na Europa e nos Estados Unidos, tendo passado a ser de

carácter obrigatório em todos os veículos desde 1996. Este sistema, apresenta uma conexão standard

(porta OBD) a partir da qual são obtidas informações de diagnóstico que visam facilitar a reparação

dos veículos em oficina. É igualmente possível obter através da porta OBD um determinado conjunto

de variáveis recolhidas em tempo real durante a condução. Tipicamente, através de colectores de

dados OBD, é possível obter directamente dados como a velocidade instantânea do veículo,

velocidade de rotação e carga do motor, temperatura e pressão do ar na admissão, posição do

acelerador ou temperatura do líquido de arrefecimento. Ferramentas deste tipo são especialmente

adequadas para monitorizar padrões de condução, uma vez que não são intrusivas, são de fácil

montagem, fácil instalação, de pequenas dimensões e reduzido peso.

O dispositivo de colecção de dados utilizado no âmbito deste trabalho, i2D, é uma plataforma de

recolha, transferência, organização e processamento de dados de condução com o propósito de

quantificar o comportamento de condução numa perspectiva energética, ambiental, económica e de

segurança e conforto [16]. Este recolhe dados directamente da porta OBD do carro e de sensores

dedicados (GPS, acelerómetro e altímetro), transmitindo-os encriptados a um servidor, onde são

armazenados e processados. De entre os dados já processados, o i2d disponibiliza, por exemplo,

distribuições de estimativa de potência do veículo, consumos e emissões calculados, sendo

inclusivamente possível identificar determinados eventos específicos, como por exemplo momentos

de corte de injecção ou elevadas acelerações nos 3 eixos (sejam travagens bruscas ou curvas

acentuadas).

Figura 11 – Componentes do colector de dados (data logger) i2D

18

2.4. Sistema de Medição de Emissões Portátil (PEMS)

Um sistema de medição de emissões portáteis (PEMS) é um 'laboratório' portátil utilizado com o intuito

de avaliar as emissões de veículos. Este deve ser devidamente desenvolvido tendo em consideração

todas as limitações que a medição a bordo de um automóvel em movimento acarreta. Assim, as

limitações de espaço e peso bem como a robustez do sistema de medição devem ser tidas em conta

de modo a não influenciar os resultados experimentais e a suportar regimes transientes de aceleração

e travagem. Este deve ainda ser um dispositivo de fácil alimentação energética pela própria viatura e

permitir uma fácil conexão e sincronização, simplificando o processo de aquisição e pós-

processamento dos dados recolhidos.

Diversos tipos de PEMS foram desenvolvidos por grupos de investigadores, como são exemplo o

TOTEMS [21] (desenvolvido pelo “Transportation Research Center” da Universidade de Vermont) e o

VPEMS [22] (desenvolvido em colaboração pelo “Imperial College Centre for Transportation Studies”

e dois parceiros industriais, SIRA Ltd. e Saturn Technologies), assim como por empresas com o

objectivo de serem comercializados. O PEMS utilizado para a obtenção de parte dos resultados deste

trabalho, VE-LAB, foi desenvolvido pela equipa de Transporte, Energia e Ambiente do Instituto Superior

Técnico [23]. Este compreende um colector de dados OBD, um GPS com um altímetro barométrico e

um analisador de gases de escape (CO2, CO, HC, O2 e NOx), sendo que todos os equipamentos se

encontram ligados a um computador portátil e a um software especificamente desenvolvido para o

propósito em LabView.

Figura 12 – Componentes principais do VE-Lab e locais de instalação num veículo ligeiro [23]

19

2.5. Procedimentos Experimentais

Para a análise teórica do presente trabalho, foi monitorizado um Toyota Yaris 1.0L, cedido pela Toyota

Caetano Portugal, sendo que numa primeira análise e aproximação ao trabalho foram utilizados os já

acima mencionados dados previamente medidos. Posteriormente foi então medido um outro veículo,

este um automóvel diesel de cilindrada 1.6L apenas para aplicação da metodologia desenvolvida.

Figura 13 – Toyota Yaris 1.0L

Para ambos os veículos, o procedimento experimental foi idêntico, passando pela medição e

experimentação das mais variadas situações de condução, de modo a não só caracterizar os veículos

de forma completa, como também a obter um conjunto de dados o mais variado possível com o intuito

de validar e testar a robustez do trabalho desenvolvido. Todos os veículos testados foram por isso

submetidos tanto a viagens de percursos tipicamente urbanos, como de perfil extra-urbano, ou auto-

estrada, ou ainda viagens mistas, durante as quais foram ainda propositadamente ensaiados diferentes

perfis de condução de modo a cobrir os mais diversos eventos associados à condução de um

automóvel. É de referir mais uma vez que a monitorização destes veículos foi efectuada com o colector

de dados i2D.

Figura 14 – Instalação Experimental i2D. A – Colector de dados colocado ao lado do assento do condutor; B – Ficha plug-in OBD; C – Antena GPS colocada no painel frontal do automóvel

A B C

20

2.6. Cálculo do Consumo de Combustível e Emissões de CO2

Se no caso dos dados previamente medidos com recurso a um PEMS o acesso ao consumo de

combustível instantâneo e emissões tanto de poluentes como de CO2 foi directo, uma vez que estes

haviam já sido obtidos, para os dados que constituíram novas medições foi necessário obter tais

valores através de cálculos efectuados com base nas informações recebidas através da porta OBD

dos automóveis experimentados. Tais cálculos são estimativas, para as quais foi necessário tomar por

verdadeiras algumas premissas. Assim, o consumo de combustível foi obtido através da temperatura

e pressão do ar na admissão do motor, bem como da rotação do motor (rpm) parâmetros lidos a partir

do colector de dados OBD, como foi já referido anteriormente. Foi então necessário assumir o ar como

um gás perfeito, sendo que se tomou igualmente a mistura ar-combustível como estequiométrica num

motor a gasolina e sempre pobre para um motor a diesel, variando a relação A/F com a carga calculada

do motor de acordo com a norma ISO 15031. O volume de ar admitido por ciclo foi também considerado

igual à sua cilindrada total (soma do volume de todos os cilindros).

Da termodinâmica, de acordo com a lei dos gases perfeitos, sabendo de antemão a temperatura e a

pressão de um gás, neste caso do ar de admissão é possível calcular a sua densidade através da

seguinte expressão:

𝜌 =𝑝

𝑅𝑇 (1)

Sabendo a densidade, o volume total de ar admitido por cada ciclo do motor (volume admitido pelos

cilindros a cada duas rotações do motor) e a velocidade de rotação do motor, é possível obter o caudal

mássico de ar instantâneo através da seguinte relação:

𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑀á𝑠𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝐴𝑟 [𝑔

𝑠] = 𝜌𝑎𝑟 . 𝑉𝑇 .

𝑟𝑝𝑚

2.60 (2)

Uma vez obtido o caudal de ar, assumindo a mistura estequiométrica para um motor a gasolina e uma

mistura pobre para o caso do ciclo diesel (com coeficiente de excesso de ar mínimo, λ = 1,2), obteve-

se o consumo de combustível, em gramas por segundo, de acordo com as expressões abaixo

presentes (3) (4) (5).

𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝐴𝑟

𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙= {

𝐺𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎: 𝐴

𝐹𝑠𝑡= 14,7

𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙: 𝐴

𝐹𝑚𝑖𝑛= 14,4 × 1,2

[23] (3)

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐼𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡â𝑛𝑒𝑜 𝑑𝑒 𝐺𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎 [𝑔

𝑠] =

𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑀á𝑠𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑟 [𝑔𝑠]

14,7 (4)

21

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐼𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡â𝑛𝑒𝑜 𝑑𝑒 𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 [𝑔

𝑠] =

𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 𝑀á𝑠𝑠𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑟 [𝑔/𝑠]

14,4 × 1,2×𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝐶𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎

100 (5)

Foi ainda considerado que se verificaria corte de injecção de combustível (situação na qual o consumo

de gasolina ou diesel é nulo) quando as seguintes condições se verificassem simultaneamente:

o Para um veículo a gasolina, VSP (Vehicle Specific Power) ≤ 0, rpm > 1500 e carga calculada <

20%;

o Para um veículo diesel, VSP (Vehicle Specific Power) ≤ 0, rpm > 1200 e carga calculada < 20%.

𝐶𝑜𝑛𝑑𝑖çõ𝑒𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝐼𝑛𝑗𝑒𝑐çã𝑜 {𝐺𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎 − 𝑉𝑆𝑃 ≤ 0; rpm > 1500; carga calculada < 20%𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 − 𝑉𝑆𝑃 ≤ 0; rpm > 1200; carga calculada < 20%

A partir do consumo instantâneo quer de diesel quer de gasolina, e da densidade de cada um dos

combustíveis (8) é possível obter o consumo total e o consumo médio por 100 km através das

equações 6 e 7, respectivamente.

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 [𝑙] =∑𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐼𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡â𝑛𝑒𝑜 [

𝑔𝑠]× 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑣𝑎𝑙𝑜 𝑇𝑒𝑚𝑝𝑜[𝑠]

𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 (6)

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑀é𝑑𝑖𝑜 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 [𝑙

100𝑘𝑚] =

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑙 [𝑙]

𝐷𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃𝑒𝑟𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑑𝑎 [𝑘𝑚] × 100 (7)

𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡í𝑣𝑒𝑖𝑠 {𝐺𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎 − 0,775 𝑘𝑔/𝑙𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 − 0,84 𝑘𝑔/𝑙

(8)

Por fim, as emissões de CO2, as únicas emissões que serão consideradas no presente estudo, foram

obtidas directamente a partir do consumo de combustível e do factor de emissão de CO2 para veículos

a gasolina e a diesel.

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝐸𝑚𝑖𝑠𝑠ã𝑜 𝐶𝑂2 {𝐺𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎 − 2,30 𝑘𝑔𝐶𝑂2 𝑙𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎⁄

𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 − 2,70 𝑘𝑔𝐶𝑂2 𝑙𝑑𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙⁄ [24] (9)

22

23

3. Caracterização dos Veículos e dos Perfis de Condução

Devido à grande variabilidade de condições, torna-se muito difícil correlacionar consumos e emissões

com eventos específicos, o que por consequência torna igualmente muito complicado comparar

veículos com condutores e perfis de condução. Assim, de modo a poder avaliar os diferentes impactos

resultantes de cada par automóvel-condutor, correlacionando eventos específicos com consumos de

combustível e emissões, foi necessários encontrar a ferramenta apropriada que permitisse caracterizar

de forma compatível condutor e automóvel. Para o efeito foi então utilizada a metodologia VSP –

Vehicle Specific Power.

3.1. VSP - Vehicle Specific Power

Definição do VSP

Desenvolvida por J.L. Jiménez no MIT (Massachusetts Institute of Technology) em 1998, a metodologia

VSP consiste num balanço simplificado de todas as forças aplicadas no veículo durante a sua

condução, permitindo obter uma estimativa da potência por unidade de massa do veículo em cada

instante. Assim, o VSP é função da velocidade e da aceleração do veículo, bem como do declive da

estrada e é usualmente expresso em Quilowatts por tonelada [KW/ton]. A expressão utilizada para

calcular a potência específica de um veículo num determinado instante é a seguinte:

𝑉𝑆𝑃 = 𝑣. (1,1. 𝑎 + 𝑔. sin(𝜑) + 0,132) + 0,000302. 𝑣3 (5)

Onde:

VSP é o Vehicle Specific Power, expresso em kW/ton, W/kg ou em 𝑚2 𝑠3⁄

𝑣, 𝑎 𝑒 𝜑 são respectivamente, a velocidade instantânea do veículo (𝑚/𝑠), a aceleração

instantânea (𝑚/𝑠2) e a inclinação do veículo (𝑟𝑎𝑑)

𝑔 é a aceleração gravítica (𝑚/𝑠2)

0,132 é o coeficiente de resistência de rolamento (𝑚/𝑠2)

0,000302 é o coeficiente de resistência aerodinâmica (𝑚−1)

Em rigor, na equação do cálculo do VSP deveriam figurar os coeficientes de atrito e massa referentes

a cada veículo específico em estudo, no entanto, para veículos ligeiros e, com o intuito de facilitar e

uniformizar a análise, tem sido utilizada, em diversos estudos [23] [27] [28], esta abordagem

simplificada.

24

O cálculo do VSP, segundo a segundo, permite obter uma distribuição de potência do veículo ao longo

de toda uma viagem. É então possível agrupar os pontos em intervalos, “modos” de potência, com o

intuito de juntar situações de condução semelhantes. Esta divisão dos pontos em 14 gamas de

potência permite assim, como que mapear o consumo e as emissões do veículo.

Modo VSP Gama VSP [W/kg] Modo VSP Gama VSP [W/kg]

1 VSP < -2 8 13 ≤ VSP < 16 2 -2 ≤ VSP < 0 9 16 ≤ VSP < 19 3 0 ≤ VSP < 1 10 19 ≤ VSP < 23 4 1 ≤ VSP < 4 11 23 ≤ VSP < 28 5 4 ≤ VSP < 7 12 28 ≤ VSP < 33 6 7 ≤ VSP < 10 13 33 ≤ VSP < 39 7 10 ≤ VSP < 13 14 39 ≤ VSP

Tabela 2 – Definição dos modos VSP

Da Tabela 2, é possível observar que os modos 1 e 2 correspondem a gamas de potência negativa,

querendo isto significar que, por força de um evento específico, que pode corresponder a uma

travagem ou a uma descida (respectivamente aceleração e inclinação negativas), que nestas

circunstâncias é possível regenerar energia. Por seu turno, o modo 3 engloba pontos de VSP nulo,

associados na sua maioria a situações de “ralenti”, com o carro parado (velocidade nula).

Vantagens do VSP

Há vários processos para modelar os consumos e emissões de veículos que combinam a componente

dinâmica (velocidade, aceleração) e as características dos veículos. No entanto, para o tipo de análise

que se pretende, que consiste na caracterização de perfis de condução e de veículos com a posterior

combinação dos dois, o VSP é especialmente adequado, uma vez que:

o Foi concebido de raiz para usar dados recolhidos experimentalmente, quer para os veículos

quer para os perfis dinâmicos;

o Foi igualmente projectado para utilizar dados recolhido quer através de PEMS (Portable

Emission Monitoring System), quer pelo uso de ferramentas não intrusivas como é o caso do

i2D [16];

o Para cada veículo e cada condutor é aplicável independentemente do tamanho da amostra;

o É escalável para combinar dados de veículos com diferentes condutores

Por estas razões o VSP foi a metodologia escolhida pela EPA (Environmental Protection Agency) para

servir de base ao MOVES, o modelo de emissões oficial actualmente usado nos Estados Unidos da

América para calcular as emissões resultantes do uso de veículos rodoviários [26].

25

Limitações do VSP

No entanto, e apesar da reconhecida utilidade do VSP, esta metodologia apresenta algumas lacunas

e limitações.

o Primeiramente, sendo todas as diferentes situações de condução agrupadas em intervalos de

semelhantes requisitos de potência ao motor, é possível, e até frequente, obter um mesmo

valor de VSP sob condições de condução completamente diferentes. Sendo o VSP função da

velocidade, aceleração e inclinação do veículo, um mesmo valor de potência pode ser

requisitado por uma situação de elevada aceleração (transiente), de elevada inclinação do

veículo (a subir uma rampa) ou de elevada velocidade constante (e por isso aceleração nula

ou reduzida). É assim evidente que, perante eventos tão diferentes o consumo de combustível

e até a emissão de poluentes decorrentes de cada um deles não podem ser iguais.

Inversamente, situações de desaceleração ou travagem podem requerer a mesma potência

do motor que uma descida íngreme, na qual mesmo que o carro esteja a acelerar o mais certo

é estar em corte de injecção;

o Em segundo lugar, a metodologia desenvolvida por Jiménez é completamente transparente à

rotação do motor (rpm), parâmetro fundamental na qualidade da combustão e no rendimento

de um motor de combustão interna. Empiricamente, até pelo som e pelas vibrações do motor

percepcionados pelo condutor, é de esperar que regimes de elevada rotação levem a

consumos de combustível mais elevados. De facto, eventos de diferente velocidade de rotação

e posição do acelerador podem resultar na mesma potência.

No entanto, este facto pode ser explicado se tivermos em conta que o VSP foi concebido para

ser aplicado em automóveis nos EUA. Existem duas diferenças fundamentais entre os

automóveis em uso nos EUA e na Europa. A primeira prede-se com o facto de nos Estados

Unidos da América a rotação do motor não ser uma variável controlável pelo condutor, uma

vez que a maioria dos veículos tem caixa automática, contrariamente ao que se verifica na

Europa, onde pela especificidade do mercado predomina a caixa manual. Além da diferença

na caixa de mudanças, os automóveis nos EUA apresentam motores maiores e mais potentes,

o que faz com que, comparativamente aos motores europeus, pequenos e pouco potentes,

operem numa gama de rpm mais reduzida. Um motor mais pequeno, para produzir semelhante

potência à do motor maior, estará sujeito a um maior esforço de rotação que compense a falta

de binário. Por estas duas razões, o VSP não confere importância à rotação do motor.

26

3.2. Influência dos Parâmetros no VSP

Conforme foi acima mencionado, a metodologia VSP não contabiliza a rotação do motor e pode originar

algumas faltas de precisão ao agrupar numa mesma classe pontos, ou eventos, que não são

semelhantes. Seguidamente é estudada a influência exercida pela velocidade de rotação e por cada

um dos factores dos quais depende o VSP (velocidade, aceleração e gradiente da estrada). Este

estudo baseou-se nas variações obtidas ao nível do consumo de combustível verificado, tendo para a

sua análise teórica, sido utilizada uma das caracterizações efectuadas ao veículo Toyota Yaris a

gasolina que serão abordadas mais à frente neste trabalho.

Para caracterizar o Toyota Yaris utilizou-se um conjunto de viagens, que se denominou “C. Mista SI”,

que tenta reproduzir todas as diferentes situações de condução às quais o veículo pode estar sujeito.

De seguida apresentam-se as distribuições VSP de tempo (Figura 15), do consumo instantâneo médio

de gasolina (Figura 16) e das emissões médias de dióxido de carbono (Figura 17) por modo de VSP

da “C. Mista SI”.

Figura 15 – Distribuição de tempo por modo VSP - “C. Mista SI”

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,07 0,19 0,23 0,56 0,82 1,05 1,25 1,46 1,62 1,89 2,15 2,32 2,45 2,58 D. Padrão 0,14 0,24 0,19 0,28 0,34 0,34 0,34 0,34 0,32 0,33 0,30 0,20 0,14 0,00 Nº Pontos 2068 1025 1883 1064 925 863 693 553 437 407 394 151 20 1

Tabela 3 – Valores de consumo de combustível por modo VSP; média, desvio padrão e número de pontos usados

0

500

1000

1500

2000

2500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

27

Figura 16 – Consumo combustível instantâneo médio por modo VSP do Toyota Yaris- “C. Mista SI”

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,20 0,56 0,69 1,65 2,43 3,11 3,70 4,34 4,81 5,60 6,37 6,88 7,27 7,65 D. Padrão 0,42 0,72 0,55 0,84 1,01 1,02 1,00 1,02 0,96 0,99 0,88 0,61 0,43 0,00 Nº Pontos 2068 1025 1883 1064 925 863 693 553 437 407 394 151 20 1

Tabela 4 – Valores de consumo de combustível por modo VSP; média, desvio padrão e número de pontos usados

Figura 17 – Emissões instantâneas médias de CO2 por modo VSP do Toyota Yaris – “C. Mista SI”

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Co

nsu

mo

Co

mb

ust

ível

In

stan

tân

eo [

g/s]

Modos VSP

Consumo de Combustível Instantâneo Médio por Modo VSP

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Emis

sões

de

CO

2[g

/s]

Modos VSP

Emissões Instantâneas de CO2 Médias por Modo VSP

28

3.2.1. Influência da Velocidade de Rotação do Motor (rpm) no VSP

De modo a estudar a influência que a rotação do motor exerce ou não sobre o consumo de combustível

na análise VSP, foram experimentadas diversas aproximações no que concerne à divisão dos modos

VSP em gamas de rotação, tanto quanto ao número, quanto aos valores dos intervalos a utilizar.

Entendeu-se assim que um bom compromisso entre o tamanho da amostra em cada modo VSP, o

esforço computacional e a influência nos resultados obtidos seria uma divisão em apenas 2 gamas de

rotação. A rotação de corte considerada nesta secção é de 3000 rpm, estando em conformidade com

o estudo efectuado no capítulo 4.2, sendo que a rotação média da viagem foi de 2198 rotações por

minuto (rpm).

Na Figura 18, é possível observar o comportamento da velocidade de rotação do motor média ao longo

dos diferentes modos VSP, onde como seria de esperar existe uma tendência crescente da rotação

para modos de potências mais elevadas. Nota ainda para o modo 3 que é de todos o que apresenta

menores velocidades de rotação, uma vez que grande parte dos seus pontos corresponde a situações

de “ralenti”, sendo assim a média nesta gama de potências de aproximadamente apenas 1000 rpm.

Figura 18 – Velocidade de rotação média do motor em cada modo VSP – “C. Mista SI”

Por seu turno, a partir da distribuição de tempo passado por modo VSP e gama de velocidades de

rotação ao longo da viagem (Figura 19), é possível verificar que para baixas potências a velocidades

de rotação do motor é quase invariavelmente inferior às 3000 rpm e para os modos de mais elevada

potência, nomeadamente nos modos 13 e 14 a totalidade do tempo é passada em velocidades de

2047

1724

1092

21442368

2551 26582902

3053

3382

37543932

40614273

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

rpm Média por Modo VSP

29

rotações superiores a 3000 rpm. Ao longo dos restantes modos, onde ocorrerá a maioria do consumo

de combustível, nomeadamente entre os modos 4 e 12, observa-se um aumento quase linear da

percentagem de tempo passado em altas rotações à medida que a potência requisitada ao motor

aumenta.

Tal como para uma distribuição de VSP normal de 14 modos, é então possível, estabelecendo uma

média ponderada de consumo de todos os pontos pertencentes a uma mesma classe de VSP e gama

de velocidade de rotação, obter o consumo de gasolina médio que caracteriza cada conjunto de

eventos.

Figura 19 – Distribuição de tempo por rpm e modo VSP – “Caracterização3”

rpm≤ 3000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,07 0,17 0,22 0,53 0,77 0,97 1,15 1,29 0,41 1,53 1,61 1,68 - - D. Padrão 0,13 0,20 0,17 0,26 0,30 0,28 0,27 0,24 0,18 0,17 0,22 0,14 - - Nº Pontos 1842 944 1842 940 772 662 520 331 237 143 48 6 - -

Tabela 5 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para rpm ≤ 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

rpm >3000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,05 0,37 0,70 0,77 1,06 1,31 1,54 1,72 1,86 2,08 2,22 2,35 2,45 2,58 D. Padrão 0,20 0,50 0,29 0,36 0,42 0,39 0,35 0,31 0,29 0,23 0,22 0,16 0,14 0,00 Nº Pontos 226 81 41 124 153 201 173 222 200 264 346 145 20 1

Tabela 6 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para rpm > 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[%

]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por RPM e Modo VSP

rpm ≤ 3000 rpm > 3000

30

Figura 20 – Consumo de combustível por rpm e modo VSP – “C. Mista SI”

Resulta assim o “mapa” de consumo presente na Figura 20, de onde se conclui que, conforme

esperado, para uma mesma gama de potências, situações de maiores velocidades de rotação levam

a maiores gastos de combustível, no caso específico da “C. Mista SI” o consumo de gasolina para

velocidades de rotação do motor superiores a 3000 rpm é em média 28% superior ao registado para o

mesmo modo VSP e rpm inferiores a 3000. A velocidade de rotação do motor é um dos parâmetros

que dos quais a sua eficiência está dependente. Velocidades de rotação muito baixas não produzem

um escoamento suficientemente turbulento para que a combustão se dê com qualidade, no entanto,

velocidades de rotação muito elevadas levam a uma grande diminuição da eficiência do motor, uma

vez que as perdas mecânicas aumentam significativamente e que a qualidade da combustão também

não é a ideal por não haver tempo suficiente entre ciclos. Esta influência da velocidade de rotação do

motor no consumo de combustível é por isso negligenciada pela metodologia do Vehicle Specific

Power.

Pode também observar-se no gráfico acima que o valor do consumo calculado apenas pela

metodologia VSP com 14 modos, está quase sempre compreendido no intervalo definido pelo consumo

para rpm < 3000 e rpm ≤ 3000, sendo que tende a ser mais próximo do valor da situação predominante

em cada um dos modos. Ou seja, para baixas potências, a rotação do motor é geralmente baixa e por

isso, nessas gamas de potência, o consumo obtido pelo VSP assemelha-se ao consumo para rpm ≤

3000. Para modos de elevada potência, o consumo obtido pelo VSP tradicional é próximo do consumo

para rpm > 3000.

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Co

nsu

mo

Inst

antâ

neo

Méd

io [

g/s]

Modos VSP

Influência das RPM no Consumo Instantâneo

rpm ≤ 3000 rpm > 3000 VSP

31

3.2.2. Influência da Velocidade, Aceleração e Declive da Estrada no VSP

De acordo com a expressão utilizada para calcular o VSP instantâneo (1), as únicas variáveis das

quais este depende são a velocidade, a aceleração e a inclinação do veículo. De modo a melhor

entender qual, ou quais, destas três variáveis exercem maior influência na potência requerida ao

veículo e, por consequência no consumo de combustível e emissões de CO2 expandiu-se a equação

do Vehicle Specific Power (1) em termos independentes de cada uma das variáveis, conforme se ilustra

abaixo:

Onde:

𝑉𝑆𝑃𝑣 = [0,000302𝑣3 + 0,132𝑣] (11)

𝑉𝑆𝑃𝑎 = 1,1. 𝑣𝑎 (12)

𝑉𝑆𝑃𝑔 = 𝑣𝑔𝑠𝑖𝑛(𝜑) (13)

Através deste desenvolvimento da expressão do VSP foi então calculado o peso relativo (em

percentagem) atribuído a cada uma das três variáveis para cada um dos 14 modos VSP, sendo então

definidos VSPv (11), VSPa (12) e VSPg (13). A Figura 21 mostra esses mesmos pesos relativos de cada

componente para a “C. Mista SI”.

Figura 21 – Peso relativo das componentes do VSP [%] – “C. Mista SI”

-90%

-70%

-50%

-30%

-10%

10%

30%

50%

70%

90%

110%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Modos VSP

Peso Relativo das Componentes do VSPVSPv VSPa VSPg

𝑉𝑆𝑃 = 𝑣. (1,1. 𝑎 + 𝑔. sin(𝜑) + 0,132) + 0,000302. 𝑣3⇔

⇔[0,000302𝑣3 + 0,132𝑣] + 1,1. 𝑣𝑎 + 𝑣𝑔𝑠𝑖𝑛(𝜑) (10)

32

Ora, da análise do gráfico anterior extrai-se que a inclinação do veículo apenas apresenta uma

importância algo significativa para modos negativos (1 e 2) e para elevadas potências, sensivelmente

a partir do modo 11, regimes de potência que são pouco comuns em situações de condução normal.

Regra geral, conclui-se que a aceleração e, sobretudo a velocidade são as principais responsáveis

pelo valor final de potência requerida ao motor, representando juntas para potências inferiores a 23

W/kg (Modo 11) sempre mais de 70% do valor final da potência.

No entanto, para que se possa confirmar a pouca influência que o declive da estrada terá no consumo

de combustível final de uma viagem, em particular da “C. Mista SI” é de muita utilidade olhar não só

para a quantidade de tempo passada nos modos onde este é relevante como também para o consumo

total de combustível em cada modo VSP (Figura 22). A suportar esta ideia observa-se na Figura 19

que a partir do modo 11 a quase totalidade, mais de 90% das situações registadas (mesmo 100% para

os modos 13 e 14) se verificam a rpm superiores a 3000, o que leva a crer que serão eventos

semelhantes, acrescentando-se ainda o facto de serem as gamas de potência onde o desvio padrão

do consumo de combustível é menor.

Figura 22 – Consumo total de combustível por modo VSP – “C. Mista SI”

Grande parte do consumo de gasolina total da viagem (é espectável que assim ocorra quase sempre),

é feito em gamas de potência correspondentes aos modos 4 a 11, sendo que o consumo neste último

apresenta ainda um valor total bastante considerável, sendo mesmo o terceiro modo onde mais

combustível é consumido. Adicionalmente, do modo 12 em diante (12, 13 e 14) muito pouca gasolina

é gasta, sendo nestes que o declive se assume mais importante, assumindo pesos relativos entre os

30% e os 50%, Este facto faz com que, juntamente com o reduzido desvio padrão do consumo de

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Co

nsu

mo

Co

mb

ust

ível

[g]

Modos VSP

Consumo Total de Combustível por Modo VSP

33

combustível e o facto da velocidade de rotação do motor ser quase sempre muito elevada, a influência

do declive da estrada no consumo final da viagem e na precisão da metodologia VSP sejam diminutos

e por isso não sejam mais explorados no âmbito deste trabalho.

Dos três parâmetros que directamente influenciam o valor do VSP fica então por estudar a influência

de VSPv (11) e VSPa (12). Ora, estes estão directamente dependentes um do outro pois, para um

mesmo modo VSP, ou seja, para um requisito de potência semelhante, não é possível ter uma

velocidade e aceleração muito elevadas ou muito baixas. Quando uma “estica” a outra “encolhe”, e

vice-versa, interessando assim distinguir para uma mesma classe de potência os eventos nos quais

esta é dominada por uma elevada aceleração, por uma velocidade muito alta ou se por outro lado se

trata de um compromisso equilibrado entre ambas, não havendo assim um predomínio decisivo de

nenhuma delas. Deste modo é interessante estudar, mais uma vez, como varia o consumo de

combustível com esta variabilidade das circunstâncias.

Diversas aproximações foram experimentadas de modo a tentar definir de forma clara estas diferentes

situações e avaliar o seu impacto ao nível do consumo e das emissões de 𝐶𝑂2. A solução encontrada

foi criar um rácio entre ambas (14) que, consoante o seu valor indique qual das três diferentes situações

acima descritas se verificava em cada instante. Foi então estudada a influência da seguinte razão:

𝑉𝑆𝑃𝑣𝑉𝑆𝑃𝑎

=[0,000302𝑣3 + 0,132𝑣]

1,1. 𝑣𝑎 (14)

Uma vez que se pretende distinguir essencialmente entre três diferentes situações, com base neste

novo parâmetro criado, este foi dividido em três classes diferentes, cujos limites utilizados ao longo

desta secção, são mais uma vez resultado da validação efectuada na secção 4.3 e se apresentam

abaixo:

𝑉𝑆𝑃𝑣

𝑉𝑆𝑃𝑎=

{

𝑉𝑆𝑃𝑣

𝑉𝑆𝑃𝑎< 0,1 − 𝑉𝑆𝑃 𝑑𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑒𝑙𝑎 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜

0,1 ≤𝑉𝑆𝑃𝑣

𝑉𝑆𝑃𝑎< 0,6 − 𝑉𝑆𝑃 𝐸𝑞𝑢𝑖𝑙í𝑏𝑟𝑖𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒

𝑉𝑆𝑃𝑣

𝑉𝑆𝑃𝑎≥ 0,6 − 𝑉𝑆𝑃 𝑑𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑒𝑙𝑎 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒

(15)

34

Figura 23 – Distribuição de tempo por VSPv/VSPa e modo VSP – “C. Mista SI”

Conforme ilustra a Figura 23, esta razão permite distinguir claramente três situações distintas dentro

de cada modo VSP, nomeadamente entre o 4 e o 11, onde como anteriormente referido se dá o maior

consumo total de combustível. Não deixa de ser curioso que para regimes de baixa potência

predominem claramente situações de aceleração dominante e que quando a potência requerida é

muito elevada, a velocidade desempenhe um papel de maior relevo. Apesar de ser verdade que

segundo a figura anterior, a baixos modos de VSP correspondem pontos onde a aceleração domina é

necessário mencionar que nos modos 1 e 2 a potência é negativa, não se podendo dever à velocidade

pois nunca será inferior a zero e que no modo 3 a predominância da aceleração, ou seja VSPv/VSPa é

grande pois de acordo com a Figura 21 nesta gama de potências a aceleração e a velocidade

apresentam geralmente sinais opostos.

Resta então desfazer a dúvida: será que as três diferentes situações acima descritas têm influência

directa no consumo de combustível de cada modo VSP?

VSPv/VSPa

≤0,1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,07 0,19 0,23 0,57 0,86 1,20 1,45 1,71 1,93 2,14 2,31 2,40 2,39 - D. Padrão 0,14 0,24 0,18 0,29 0,38 0,38 0,38 0,35 0,30 0,22 0,18 0,14 0,02 - Nº Pontos 2016 923 1732 623 355 273 149 150 94 142 207 58 2 0

Tabela 7 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para VSPv/VSPa ≤ 0,1; média, desvio padrão e número de pontos usados

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

% T

ime

Modos VSP

Distribuição de Tempo VSPv/VSPa por Modo VSP

VSPv/VSPa ≤ 0,1 0,1 < VSPv/VSPa ≤ 0,6 VSPv/VSPa > 0,6

35

0,1≤ VSPv/ VSPa <0,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,35 0,23 0,28 0,51 0,76 0,93 1,13 1,29 1,43 1,57 1,71 1,99 2,29 - D. Padrão 0,50 0,21 0,17 0,24 0,28 0,27 0,29 0,26 0,22 0,24 0,27 0,27 0,08 - Nº Pontos 7 23 82 252 321 334 318 264 215 138 74 17 3 0

Tabela 8 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para 0,1 ≤ VSPv/VSPa < 0,6; média, desvio padrão e número de pontos usados

VSPv/VSPa

≤0,6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,07 0,20 0,34 0,57 0,84 1,03 1,28 1,51 1,72 1,94 2,14 2,33 2,49 2,58 D. Padrão 0,15 0,27 0,20 0,31 0,33 0,32 0,30 0,31 0,26 0,24 0,17 0,15 0,14 0,00 Nº Pontos 45 79 69 189 249 256 226 139 128 127 113 76 15 1

Tabela 9 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para VSPv/VSPa > 0,6; média, desvio padrão e número de pontos usados

Figura 24 – Consumo de combustível por VSPv/VSPa e modo VSP – “C. Mista SI”

De facto, recorrendo à Figura 24, confirma-se que como faz sentido e seria de esperar, o consumo de

gasolina é geralmente maior em situações dominadas pela aceleração, tipicamente em regime

transiente. Quando a velocidade domina, por muito que possa provocar um esforço excessivo do

motor, especialmente ao nível das rpm, a rotação do motor é aproximadamente constante, não

experienciando grandes variações (aproxima-se de regime estacionário). No entanto, em situações de

elevada aceleração, as rotações a que o motor opera variam agressivamente, podendo assim levar à

ocorrência de situações que prejudiquem a eficiência do automóvel, como por exemplo:

Enriquecimento da mistura e problemas térmicos no motor que aumentam o consumo de combustível

ou até problemas no catalisador, como a sua saturação devido ao excessivo caudal de poluentes e as

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Co

nsu

mo

Inst

antâ

neo

de

Co

mb

ust

ível

Méd

io [

g/s]

Modos VSP

Influência do VSPv/VSPa no Comsumo de Combustível Instantâneo

VSPv/VSPa ≤ 0,1 0,1 < VSPv/VSPa ≤ 0,6 VSPv/VSPa > 0,6

36

constantes flutuações de temperatura que diminuem a eficiência do catalisador, aumentando assim a

emissão de poluentes.

Curioso é o facto de para 0,1 < VSPv/VSPa ≤ 0,6 se obter quase sempre o menor consumo de entre as

três gamas de VSPv/VSPa definidas, sendo que para os intervalos de potência compreendidos entre

os modos 4 e 11 essa observação é sempre verdadeira. Não deixa igualmente de ser um comentário

válido que, no caso específico em questão, a diferença de combustível consumido por unidade de

tempo entre eventos de aceleração e velocidade declaradamente dominante tende a atenuar-se, sendo

que para o modo 13 o consumo para VSPv/VSPa > 0,6 é inclusivamente o mais elevado de entre os

três.

3.2.3. Conclusão

Utilizando as abordagens acima descritas, e juntamente com os resultados obtidos para os outros

conjunto

s de pontos medidos, foram identificadas tendências sistemáticas, já exemplificadas para a viagem “C.

Mista SI”. Deste modo, a velocidade de rotação, a velocidade do veículo e a sua aceleração foram

identificados como parâmetros cuja influência não é devidamente tida em conta na aplicação da

metodologia Vehicle Specific Power.

Estas conclusões estão em linha com a análise proposta por Ericsson [19], citada no capítulo 1.1, na

qual é sugerido que eventos de elevada aceleração, a velocidade de rotação do motor e a velocidade

do veículo (nomeadamente as oscilações de velocidade e as situações de elevada potência) são os

factores que maior influência exercem sobre o consumo de combustível e as emissões dos automóveis.

37

4. I-VSP – Improved Vehicle Specific Power

Na tentativa de minimizar as limitações da metodologia VSP de 14 modos, recorrendo à análise acima

efectuada, foram introduzidas algumas alterações na análise tradicionalmente efectuada,

denominando-se assim esta nova versão da metodologia de “Improved Vehicle Specific Power” (I-

VSP).

4.1. Definição

Uma vez mostrado que os parâmetros que constituem as principais limitações identificadas na

metodologia VSP são a velocidade do veículo, a sua aceleração e a velocidade de rotação do motor,

procurou-se utilizar as mesmas para distinguir, em ocasiões de potência semelhante, situações de

elevada e baixa rotação do motor e eventos de aceleração ou velocidade predominante.

Deste modo, com base numa divisão de acordo com a rotação do motor (2 categorias) e utilizando o

rácio VSPv/VSPa (3 categorias), para cada gama de potência específica do veículo foram distinguidas

6 situações de condução diferentes. Assim os 14 modos definidos na metodologia VSP desdobram-se

com esta nova abordagem em 84. Uma vez que seria necessária uma amostra temporal extremamente

extensa para que todas as classes fossem preenchidas por um número razoável de pontos, de modo

a assegurar a representatividade estatística das médias calculadas para os consumos de combustível

e emissões de 𝐶𝑂2, foi considerado que nas classes onde o número de pontos registados não fosse

superior a 10, os valores médios seriam iguais aos obtidos para o respectivo modo VSP (14 modos).

Apresenta-se seguidamente a “C. Mista SI” do Toyota Yaris 1.0L, ao nível do consumo instantâneo de

gasolina e das emissões de CO2, baseada na nova metodologia desenvolvida. A partir dos valores de

consumo e emissões que se apresentam seguidamente é possível estimar, para um determinado perfil

de condução (distribuição temporal VSP), o consumo total de combustível e as emissões de CO2

resultantes do par veículo-condutor. Para o efeito, deverá ser calculado o consumo total de combustível

(Equação 6) de cada uma das 84 categorias definidas pela metodologia, somando-os depois.

É mais uma vez importante referir que as escolha dos valores dos parâmetros utilizados se prende

com o facto de, de acordo com o capítulo da validação, serem os mais indicados para o veículo a

gasolina em análise. Assim, a rotação de corte utilizada é de 3000 rpm e os limites inferior e superior

que definem as categorias de VSPv/VSPa são, respectivamente 0,1 e 0,6.

38

“C. Mista SI” – Consumo de Combustível

o rpm ≤ 3000

VSPv/VSPa

≤0,1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,07 0,17 0,22 0,54 0,77 1,05 1,21 1,40 1,48 1,89 2,15 2,32 2,45 2,58 D. Padrão 0,07 0,09 0,12 0,19 0,25 0,30 0,32 0,34 0,33 0,37 0,41 0,28 0,11 0,03 Nº Pontos 1793 851 1695 529 271 157 69 35 13 6 4 0 0 0

Tabela 10 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para VSPv/VSPa ≤ 0,1 e rpm ≤ 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

0,1≤ VSPv/ VSPa <0,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,07 0,23 0,28 0,50 0,76 0,92 1,11 1,25 1,40 1,51 1,59 2,32 2,45 2,58 D. Padrão 0,07 0,09 0,12 0,19 0,25 0,30 0,32 0,34 0,33 0,37 0,41 0,28 0,11 0,03 Nº Pontos 7 23 82 248 309 312 290 229 184 113 43 6 0 0

Tabela 11 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para 0,1 ≤ VSPv/VSPa < 0,6 e rpm ≤ 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

VSPv/VSPa

≤0,6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,05 0,20 0,33 0,54 0,80 0,98 1,18 1,33 1,48 1,64 2,15 2,32 2,45 2,58 D. Padrão 0,07 0,09 0,12 0,19 0,25 0,30 0,32 0,34 0,33 0,37 0,41 0,28 0,11 0,03 Nº Pontos 42 70 65 163 192 193 161 67 40 24 1 0 0 0

Tabela 12 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para VSPv/VSPa > 0,6 e rpm ≤ 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

Figura 25 – Consumo de combustível instantâneo por VSPv/VSPa e Modo VSP para rpm ≤ 3000 – “C. Mista SI”

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Co

nsu

mo

de

com

bu

stív

el in

stan

tân

eo m

édio

[g/

s]

Modos VSP

Consumo de Combustível Instantâneo por VSPv/VSPa - rpm ≤ 3000

VSPv/VSPa ≤ 0,1 0,1 < VSPv/VSPa ≤ 0,6 VSPv/VSPa > 0,6

39

o rpm > 3000

VSPv/VSPa

≤0,1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,05 0,39 0,71 0,78 1,15 1,41 1,65 1,81 2,00 2,17 2,32 2,40 2,45 2,58 D. Padrão 0,07 0,09 0,12 0,19 0,25 0,30 0,32 0,34 0,33 0,37 0,41 0,28 0,11 0,03 Nº Pontos 223 72 37 94 84 116 80 115 81 136 203 58 2 0

Tabela 13 – Valores de consumo de combustível por Modo VSP para VSPv/VSPa ≤ 0,1 e rpm > 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

0,1≤ VSPv/ VSPa <0,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,07 0,19 0,23 0,56 0,88 1,15 1,32 1,54 1,62 1,87 1,87 2,16 2,45 2,58 D. Padrão 0,07 0,09 0,12 0,19 0,25 0,30 0,32 0,34 0,33 0,37 0,41 0,28 0,11 0,03 Nº Pontos 0 0 0 4 12 22 28 35 31 25 31 11 3 0

Tabela 14 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para 0,1 ≤ VSPv/VSPa < 0,6 e rpm > 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

VSPv/VSPa

≤0,6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,07 0,19 0,23 0,71 0,95 1,17 1,51 1,67 1,82 2,01 2,15 2,33 2,49 2,58 D. Padrão 0,07 0,09 0,12 0,19 0,25 0,30 0,32 0,34 0,33 0,37 0,41 0,28 0,11 0,03 Nº Pontos 3 9 4 26 57 63 65 72 88 103 112 76 15 1

Tabela 15 – Valores de consumo de combustível por modo VSP para VSPv/VSPa > 0,6 e rpm > 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

Figura 26 – Consumo de combustível instantâneo por VSPv/VSPa e modo VSP para rpm > 3000 – “C. Mista SI”

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Co

nsu

mo

de

com

bu

stív

el in

stan

tân

eo m

édio

[g/

s]

Modos VSP

Consumo de Combustível Instantâneo por VSPv/VSPa - rpm > 3000

VSPv/VSPa ≤ 0,1 0,1 < VSPv/VSPa ≤ 0,6 VSPv/VSPa > 0,6

38

Figura 27 – Consumo de combustível instantâneo por modo I-VSP – “C. Mista SI”

-0,2

0,3

0,8

1,3

1,8

2,3

2,8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Co

nsu

mo

de

Co

mb

ust

ível

Méd

io In

stan

tân

eo [

g/s

]

Modos VSP

Consumo de Combustível Instantâneo - I-VSP

Δ (rpm> 3000 - rpm ≤ 3000) rpm ≤ 3000

VSPv/VSPa ≤ 0,1 0,1 < VSPv/VSPa ≤ 0,6 VSPv/VSPa > 0,6

39

“C. Mista SI” – Emissões de Dióxido de Carbono, 𝐂𝐎𝟐

o rpm ≤ 3000

VSPv/VSPa

≤0,1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,20 0,50 0,64 1,59 2,28 3,12 3,60 4,15 4,39 5,60 6,37 6,88 7,27 7,65 D. Padrão 0,20 0,28 0,35 0,57 0,75 0,90 0,95 1,00 0,98 1,10 1,22 0,82 0,32 0,07 Nº Pontos 1793 851 1695 529 271 157 69 35 13 6 4 0 0 0

Tabela 16 – Valores de emissões de CO2 por modo VSP para VSPv/VSPa ≤ 0,1 e rpm ≤ 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

0,1≤ VSPv/ VSPa <0,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,20 0,69 0,82 1,48 2,25 2,73 3,30 3,72 4,14 4,47 4,73 6,88 7,27 7,65 D. Padrão 0,20 0,28 0,35 0,57 0,75 0,90 0,95 1,00 0,98 1,10 1,22 0,82 0,32 0,07 Nº Pontos 7 23 82 248 309 312 290 229 184 113 43 6 0 0

Tabela 17 – Valores de emissões de CO2 por modo VSP para 0,1 ≤ VSPv/VSPa < 0,6 e rpm ≤ 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

VSPv/VSPa

≤0,6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,16 0,61 0,97 1,62 2,39 2,91 3,51 3,96 4,40 4,86 6,37 6,88 7,27 7,65 D. Padrão 0,20 0,28 0,35 0,57 0,75 0,90 0,95 1,00 0,98 1,10 1,22 0,82 0,32 0,07 Nº Pontos 42 70 65 163 192 193 161 67 40 24 1 0 0 0

Tabela 18 – Valores de emissões de CO2 por modo VSP para VSPv/VSPa > 0,6 e rpm ≤ 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

Figura 28 – Emissões instantâneas de CO2 por VSPv/VSPa e modo VSP para rpm ≤ 3000 – “C. Mista SI”

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Emis

sões

de

CO

2[g

/s]

Modos VSP

Emissões Instantâneas de CO2 - rpm ≤ 3000

VSPv/VSPa ≤ 0,1 0,1 < VSPv/VSPa ≤ 0,6 VSPv/VSPa > 0,6

40

o rpm > 3000

VSPv/VSPa

≤0,1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,15 1,16 2,11 2,32 3,41 4,18 4,90 5,37 5,94 6,43 6,88 7,13 7,27 7,65 D. Padrão 0,20 0,28 0,35 0,57 0,75 0,90 0,95 1,00 0,98 1,10 1,22 0,82 0,32 0,07 Nº Pontos 223 72 37 94 84 116 80 115 81 136 203 58 2 0

Tabela 19 – Valores de emissões de CO2 por modo VSP para VSPv/VSPa ≤ 0,1 e rpm > 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

0,1≤ VSPv/ VSPa <0,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,20 0,56 0,69 1,65 2,61 3,41 3,92 4,57 4,80 5,54 5,54 6,41 7,27 7,65 D. Padrão 0,20 0,28 0,35 0,57 0,75 0,90 0,95 1,00 0,98 1,10 1,22 0,82 0,32 0,07 Nº Pontos 0 0 0 4 12 22 28 35 31 25 31 11 3 0

Tabela 20 – Valores de emissões de CO2 por modo VSP para 0,1 ≤ VSPv/VSPa < 0,6 e rpm > 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

VSPv/VSPa

≤0,6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Média 0,20 0,56 0,69 2,09 2,83 3,49 4,47 4,97 5,41 5,98 6,37 6,91 7,39 7,65 D. Padrão 0,20 0,28 0,35 0,57 0,75 0,90 0,95 1,00 0,98 1,10 1,22 0,82 0,32 0,07 Nº Pontos 3 9 4 26 57 63 65 72 88 103 112 76 15 1

Tabela 21 – Valores de emissões de CO2 por modo VSP para VSPv/VSPa > 0,6 e rpm > 3000; média, desvio padrão e número de pontos usados

Figura 29 – Emissões instantâneas de CO2 por VSPv/VSPa e modo VSP para rpm > 3000 – “C. Mista SI”

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Emis

sões

de

CO

2[g

/s]

Modos VSP

Emissões Instantâneas de CO2 - rpm > 3000VSPv/VSPa ≤ 0,1 0,1 < VSPv/VSPa ≤ 0,6 VSPv/VSPa > 0,6

41

4.2. Validação da Metodologia Desenvolvida

A validação da metodologia desenvolvida foi baseada essencialmente em três aspectos:

o Estudo da melhor caracterização do automóvel, isto é, qual a caracterização que para perfis

de condução diversos e distintos permite estimativas dos consumos e das emissões mais

próximas dos resultados medidos experimentalmente. Este ponto foca essencialmente os

procedimentos de medição dos veículos, ou seja, quais os percursos a escolher que permitem

uma caracterização mais completa e robusta do consumo de combustível de um automóvel

em toda a sua gama de condições de operabilidade (diferentes requisitos de potência).

o Estudo dos parâmetros óptimos a aplicar à metodologia para o veículo utilizado - rotação (rpm)

de corte e valores limite de VSPv/VSPa.

o Avaliação da robustez da metodologia desenvolvida para diferentes tipos de caracterizações

que não a óptima.

Para tal foi necessário ensaiar diferentes formas de caracterizar o veículo, com o intuito de serem

posteriormente combinadas com vários perfis de condução diferentes e assim permitir testar os

impactos das variáveis da metodologia (velocidade de rotação do motor e VSPv/VSPa) em cada uma

das diferentes combinações caracterização do veículo – perfil de condução. O Toyota Yaris foi assim

caracterizado de 3 formas distintas (“C. Extra-Urbana SI”, “C. Urbana SI” e “C. Mista SI”) e foram ainda

definidas 4 viagens (“V. Urbana SI”, “V. Mista SI”, “V. Extra-Urbana SI 1” e “V. Extra-Urbana SI 2”), de

modo a que cada uma delas recriasse um comportamento de condução diferente. No final, intercalando

cada caracterização do veículo com cada uma das 4 viagens obtiveram-se doze combinações

caracterização-viagem diferentes.

“Caracterizações” e “Viagens”

Nesta secção encontram-se detalhadas as características dos percursos correspondentes às

“Caracterizações” e às “Viagens”.

o Caracterizações

Na Tabela 22 mostram-se os detalhes das viagens utilizadas para as três diferentes caracterizações

do automóvel a gasolina, sendo esta informação complementada com as respectivas distribuições

VSP, Figura 30.

42

Caracterizações Tempo

[s] Distância

[km]

Velocidade Média [km/h]

rpm Média

Consumo Médio [l/100km]

Emissões CO2 [g/km]

C. Extra-Urbana SI 16954 280,13 59,48 2498 7,13 163,99 C. Urbana SI 8474 83,64 35,53 1857 7,30 167,90 C. Mista SI 10484 138,02 47,39 2198 6,94 159,55

Tabela 22 – Detalhes das caracterizações do Toyota Yaris 1.0L

Figura 30 – Distribuição de tempo por modo VSP [%] – Caracterizações Toyota Yaris

A “C. Extra-Urbana SI” do veículo foi feita recorrendo a dados medidos maioritariamente em percursos

de auto-estrada, é por isso de todas a que apresenta rotações do motor e velocidade médias mais

elevadas. A suportar esta predominância de situações de maior potência desta caracterização

particular, está a sua distribuição VSP, na qual se observa que para todas as gamas de potência

compreendidas entre os modos 4 e 11 existe um número significativo de pontos, sendo que apenas se

verifica uma clara diminuição de ocorrências para os modos 12, 13 e 14 (explicada por se tratar de um

veículo de baixa cilindrada que por isso não atinge potências muito elevadas).

No extremo oposto, recriando maioritariamente situações de condução urbana, está a “C. Urbana SI”,

definida essencialmente pela baixa rotação média do motor, 1857 rpm, e pela igualmente reduzida

velocidade média de apenas 35,53 km/h. Recorrendo à distribuição temporal VSP, confirma-se que

conforme expectável num percurso urbano, os pontos da “C. Urbana SI” correspondem na sua maioria

a eventos de potência reduzida, ou negativa, (modos 1 a 7) assim como de velocidade nula (modo 3).

0%

5%

10%

15%

20%

25%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[%

]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSPC. Mista SI C. Extra-Urbana SI C. Urbana SI

43

Esta é das três caracterizações a que apresenta maior consumo de gasolina e consequentes emissões

mais elevadas.

Com o objectivo de obter um perfil misto entre os dois percursos supracitados, surge então a “C. Mista

SI”, composta quer por eventos de condução real em circuitos urbanos quer em situações de mais

elevadas potências, nomeadamente vias rápidas. Apresenta por isso uma velocidade média de 47,39

km/h e uma rotação do motor média de 2198 rpm, valores compreendidos no intervalo definido pelos

dois extremos constituídos, respectivamente, pela “C. Extra-Urbana SI” e “C. Urbana SI”, conforme se

observa na tabela abaixo. A distribuição dos pontos pelas diferentes gamas de potência é também ela

um compromisso entre as outras duas caracterizações (Anexo I). Além disso, esta afigura-se ainda

como a viagem mais eficiente em termos de consumo de combustível.

Viagens

Tal como na caracterização do veículo, também na simulação de perfis de condução através de

viagens diferentes o critério utlizado foi a diversificação das condições e situações de condução.

Assim, a “V. Urbana SI” corresponde a um perfil de condução urbano de baixa velocidade e rotação

média (33,0 km/h e 1820 rpm).

Os percursos “V. Extra-Urbana SI 1” e “V. Extra-Urbana SI 2” retratam por seu turno viagens de auto-

estrada, sendo caracterizados pela elevada velocidade média do veículo e pelas altas rotações do

motor. Estas diferem uma da outra essencialmente pelo estilo de condução. A “V. Extra-Urbana SI 1”

é de ambas a que apresenta as médias de velocidade de rotação do motor mais elevadas, o que é

bem visível na importância dos modos 10 e 11 da sua distribuição VSP quando comparada com a da

“V. Extra-Urbana SI 2” (Figura 31). Esta diferença de comportamento de condução é também bem

patente ao nível do consumo médio registado para ambas as viagens, 7,47 l/100km na “V. Extra-

Urbana SI 1” e 6,44 l/100km na “V. Extra-Urbana SI 2”, conforme se observa na Tabela 23.

Resta então a “V. Mista SI” que tal como a “C. Mista SI” é baseada numa maior diversificação das

condições de condução, incluindo troços urbanos e de via rápida. Mais uma vez, o percurso mais

variado apresenta-se como sendo também o que permite uma maior economia de combustível.

Viagens Tempo

[s] Distância

[km]

Velocidade Média [km/h]

rpm Média

Consumo Médio

[l/100km]

Emissões CO2 [g/km]

V. Urbana SI 3517 32,49 33,00 1820 7,04 161,87 V. Mista SI 2450 34,28 50,36 2212 7,12 163,72

V. Extra-Urbana SI 1 6055 127,21 75,63 2925 7,47 171,81 V. Extra-Urbana SI 2 3099 53,23 61,84 2506 6,44 148,10

Tabela 23 – Detalhes das viagens do Toyota Yaris 1.0L

44

Figura 31 – Distribuição de tempo por modo VSP [%] – Viagens Toyota Yaris

Resultados da Validação

Por forma a testar e validar a metodologia, para cada uma das combinações caracterização do

automóvel – perfil de condução (viagem), os consumos de combustível de cada viagem foram

estimados de duas formas diferentes:

o Através da aplicação da análise VSP com os 14 modos convencionais

o Mediante a aplicação do novo método de cálculo proposto, que sugere a divisão de cada um

dos 14 modos VSP em 6 subcategorias, num total de 84 divisões.

Uma vez que para cada viagem o valor do consumo real de gasolina é conhecido, é possível

estabelecer uma comparação entre o valor medido a bordo do carro e o obtido através de cada uma

das duas estimativas efectuadas, permitindo assim calcular qual o erro associado a cada uma delas.

Na Tabela 24 apresenta-se um resumo dos consumos médios calculados através dos dados obtidos

experimentalmente (nomeadamente temperatura e pressão do ar na conduta de admissão do motor),

a bordo do veículo monitorizado.

V. Urbana SI

V. Mista SI

V. Extra-Urbana SI 1

V. Extra-Urbana SI 2

Consumo Medido [l/100km] 7,04 7,12 7,47 6,44 Emissões de CO2 [g/km] 161,87 163,72 171,81 148,10

Tabela 24 – Consumo de combustível médio [l/100km] e emissões de CO2 exactos

0%

5%

10%

15%

20%

25%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[%

]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSPV. Mista SI V. Extra-Urbana SI 1 V. Extra-Urbana SI 2 V. Urbana SI

45

Aplicando uma análise “Vehicle Specific Power” convencional de 14 modos, com base em cada uma

das três caracterizações do veículo, os seguintes consumos de gasolina médios foram estimados para

cada viagem. Na Tabela 25, apresentam-se os valores do erro relativo da estimativa de cada consumo

de combustível, comparativamente aos respectivos consumos exactos.

𝐸𝑟𝑟𝑜 𝑅𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑜 [%] = |𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐸𝑠𝑡𝑖𝑚𝑎𝑑𝑜 − 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑅𝑒𝑎𝑙

𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑅𝑒𝑎𝑙 | × 100 (16)

Consumo [l/100km] V. Urbana SI V. Mista SI V. Extra-Urbana SI 1 V. Extra-Urbana SI 2

Consumo Medido 7,04 7,12 7,47 6,44 C. Extra-Urbana SI 8,76 7,54 7,00 6,57

C. Urbana SI 7,96 6,85 6,37 5,98 C. Mista SI 7,84 6,78 6,35 5,93

Tabela 25 – Consumo médio estimado – VSP

Erro Relativo [%] V. Urbana SI V. Mista SI V. Extra-Urbana SI 1 V. Extra-Urbana SI 2

C. Extra-Urbana SI 24,45% 5,94% 6,35% 2,05% C. Urbana SI 13,15% 3,76% 14,67% 7,20% C. Mista SI 11,43% 4,74% 14,95% 7,98%

Tabela 26 – Erro relativo [%] – VSP

Verifica-se que os valores de erro obtidos através da aplicação da metodologia VSP tradicional são

demasiado elevados para que se possa obter uma estimativa minimamente fiável. Especialmente nos

casos das viagens “V. Urbana SI” e “V. Extra-Urbana SI 1”, os valores de consumo de combustível

obtidos são demasiado diferentes dos consumos reais, destacando-se como caso mais negativo a

combinação “C. Extra-Urbana SI” – “V. Urbana SI”, onde o erro atinge quase os 25% e existe uma

diferença de mais de 1,7 litros de gasolina consumidos por cada 100km percorridos. No entanto, tal

cenário não causa grande estranheza, uma vez que a “C. Extra-Urbana SI” é baseada em percursos

de auto-estrada e a “V. Urbana SI” corresponde a um circuito urbano. Assim, os eventos registados

por classe de VSP para ambos os trajectos são por demais diferentes, originando um consumo de

combustível médio mais elevado na “C. Extra-Urbana SI” que terá como consequência uma sobrestima

do consumo da “V. Urbana SI” (consumo real de 7,04 l/100km e consumo estimado de 8,76 l/100km).

Apesar das suas limitações, o VSP é capaz de produzir bons resultados para viagens de auto-estrada

quando o carro é caracterizado por um percurso semelhante, veja-se o caso da “C. Extra-Urbana SI”,

onde os erros verificados para as viagens extra-urbanas são razoáveis.

Na tentativa de reduzir a ocorrência de situações nas quais o consumo médio de um conjunto de pontos

pertencente ao mesmo modo VSP é bastante diferente entre a caracterização do automóvel e a viagem

testada, os mesmos consumos de combustível acima obtidos, foram estimados recorrendo à nova

metodologia desenvolvida. Foram testadas diversas combinações de parâmetros a utilizar no novo

método, tendo sido registados, erros no intervalo dos valores mostrados na Tabela 27. Na Tabela 28

46

e na Tabela 29 apresentam-se também os parâmetros, respectivamente rotação de corte e valores

para a relação VSPv/VSPa, utilizados para a obtenção do menor erro possível em cada uma das 12

estimativas.

Erro Relativo [%] V. Urbana SI V. Mista SI V. Extra-

Urbana SI 1 V. Extra-

Urbana SI 2

C. Extra-Urbana SI 9,8% – 18,7% 4,6% - 6,4% 2,6% - 4,1% 2,4%- 4,3% C. Urbana SI 9,5% - 12,0% 0,1% - 2,4% 8,6% - 10,3% 2,4% - 4,5% C. Mista SI 2,4% - 7,6% 1,2% - 4,3% 8,7% - 11,7% 2,9% – 6,2%

Tabela 27 – Intervalos de erro relativo (erro mínimo e máximo) [%] – I-VSP

rpm V. Urbana SI V. Mista SI V. Extra-

Urbana SI 1 V. Extra-

Urbana SI 2

C. Extra-Urbana SI 2900 3400 2800 2000 C. Urbana SI 2700 2800 3000 3000 C. Mista SI 3000 3000 2800 3200

Tabela 28 – Velocidade de rotação de corte utilizada para obter o erro relativo mínimo

VSPv/VSPa V. Urbana SI V. Mista SI V. Extra-

Urbana SI 1 V. Extra-

Urbana SI 2

C. Extra-Urbana SI 0,2 – 0,6 0,1 – 0,6 0,1 – 0,6 0,1 – 0,6 C. Urbana SI 0,0 – 0,5 0,1 – 0,3 0,1 – 0,6 0,1 – 0,6 C. Mista SI 0,0 – 0,5 0,0 – 0,5 0,1 – 0,6 0,1 – 0,6

Tabela 29 – Valores de VSPv/VSPa utilizados para obter o erro relativo mínimo

É de notar que utilizando uma abordagem baseada no I-VSP, tomando o erro mínimo, ou seja, a melhor

combinação de parâmetros para cada conjunto caracterização-viagem, foi possível reduzir

substancialmente a diferença entre os valores de consumo de combustível estimados e os consumos

efectivamente registados, sendo que mesmo nos piores casos o erro nunca excedeu os 10%. No

entanto, o erro obtido para a “V. Urbana SI” e para a “V. Extra-Urbana SI 1” foi ainda bastante elevado

quando foram utilizadas determinadas caracterizações.

Utilizando a “V. Urbana SI” como exemplo, verifica-se que quando o carro foi caracterizado através da

“C. Mista SI”, o erro foi de apenas 2,39%. Por outro lado, para a “C. Extra-Urbana SI” e “C. Urbana SI”,

os valores de consumo obtidos mais próximos dos valores exactos representam ainda erros de 9,79%

e 9,51% respectivamente. O mesmo acontece para a “V. Extra-Urbana SI 1”, onde se obtém um erro

de apenas 2,57% recorrendo à “C. Extra-Urbana SI”, mas de 8,64% e 8,74% quando a caracterização

do automóvel é feita com base nos percursos da “V. Mista SI” e “V. Extra-Urbana SI 1”.

Assim, constata-se que os melhores resultados, independentemente da caracterização utilizada, foram

produzidos na estimativa da “V. Mista SI” (50,36 km/h e 2212 rpm) e da “V. Extra-Urbana SI 2” (61,84

47

km/h e 2506 rpm), sendo importante referir que tanto a velocidade do veículo, como as velocidades de

rotação do motor médias destas viagens se situam nos intervalos definidos pelos valores registados

para a “V. Urbana SI” (33 km/h e 1820 rpm) e “V. Extra-Urbana SI 1” (75,63 km/h e 2925 rpm).

Também ao nível da caracterização aplicada ao carro medido, a “C. Mista SI”, a que apresenta

velocidade média e rpm médias mais moderadas visto tratar-se de uma viagem mista, é aquela que

permite obter valores de consumo de combustível mais próximos dos medidos experimentalmente,

permitindo chegar a um erro médio de apenas 3,81% (erro mínimo). Conclui-se assim que a

caracterização do veículo deverá ser tanto mais variada quanto possível de modo a permitir obter

estimativas razoáveis para qualquer que seja o condutor ou perfil de condução ao qual a metodologia

se aplica.

Através do estudo do erro, e da sua convergência, procurou então definir-se quais seriam os

parâmetros recomendados para a aplicação da presente metodologia ao veículo em estudo

independentemente do condutor. Fixando uma gama de VSPv/VSPa, no caso particular, 0,1 ≤

VSPv/VSPa < 0,3, estudou-se a convergência do erro do valor estimado para cada viagem, utilizando

a “C. Mista SI” (melhor caracterização), fazendo apenas variar o parâmetro rotação de corte. Foi então

calculado o erro médio e escolhida a velocidade de rotação para a qual o erro médio foi menor.

Conforme é possível verificar na figura abaixo, para o Toyota Yaris utilizado recomenda-se então:

o Velocidade de rotação de corte = 3000 rpm

Figura 32 – Estudo da convergência do erro com a velocidade de rotação de corte – Toyota Yaris

Uma vez definido o valor da rotação de corte a utilizar, procurou encontrar-se quais os limites a impor

à relação VSPv/VSPa. Para tal, utilizando como rotação de corte as 3000 rpm, foram testadas várias

combinações de valores para a razão VSPv/VSPa, tendo-se chegado à conclusão de que os intervalos

3,98%

0%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

1900 2200 2500 2800 3100

Erro

Rel

ativ

o [

%]

Velocidade de rotação de Corte (rpm)

Convergência do Erro Média V. Mista SI V. Urbana SI V. Extra-Urbana SI 1 V. Extra-Urbana SI 2

48

de VSPv/VSPa que permitiriam obter os resultados mais exactos seriam definidos pelo seguinte par de

valores:

o VSPv/VSPa = 0,1 – 0,6

Parâmetros Recomendados

Velocidade de Rotação de corte 3000 rpm VSPv/VSPa 0,1 – 0,6

Tabela 30 – Parâmetros recomendados para aplicação I-VSP Toyota Yaris 1,0L

Para os parâmetros recomendados, apresentam-se seguidamente a estimativa do consumo de

combustível para cada viagem, bem como os respectivos erros relativos aos consumos exactos. A “C.

Mista SI” permitiu estimar os consumos de combustível com um erro médio de apenas 3,97%, sendo

assim mais uma vez a caracterização sugerida.

Consumo [l/100km] V. Urbana SI V. Mista SI V. Extra-Urbana SI 1 V. Extra-Urbana SI 2

Consumo Medido 7,04 7,12 7,47 6,44 C. Extra-Urbana SI 7,76 (+10,27%) 7,54 (+5,93%) 7,25 (-2,94%) 6,69 (+3,96%) C. Urbana SI 7,76 (+10,21%) 7,16 (+0,53%) 6,82 (-8,64%) 6,29 (-2,35%) C. Mista SI 7,22 (+2,57%) 7,03 (+1,27%) 6,80 (-9,03%) 6,25 (-2,99%)

Tabela 31 – Consumo médio estimado para parâmetros recomendados e respectivo erro relativo – I-VSP

VSPv/VSPa Erro Médio

C. Extra-Urbana SI 5,78% C. Urbana SI 5,43% C. Mista SI 3,97%

Tabela 32 – Erro relativo médio [%] utilizando os parâmetros recomendados – I-VSP

Por fim, estabelecendo uma relação entre os resultados obtidos através da análise VSP e do I-VSP,

apresentam-se na Tabela 33 os erros relativos ao consumo real obtidos mediante a aplicação de cada

uma das duas metodologias. Mostra-se também a redução do erro, em média, resultante da introdução

do I-VSP comparativamente à análise VSP tradicional.

V. Urbana SI

V. Mista SI

V. Extra-Urbana SI 1

V. Extra-Urbana SI 2

Redução Média

I-VSP VSP I-VSP VSP I-VSP VSP I-VSP VSP I-VSP vs VSP

C. Extra-Urbana

SI

10,27% 24,45% 5,93% 5,94% 2,94% 6,35% 3,96% 2,05% 3,92%

C. Urbana SI 10,21% 13,15% 0,53% 3,76% 8,64% 14,67% 2,35% 7,20% 4,26%

C. Mista SI 2,57% 11,43% 1,27% 4,74% 9,03% 14,95% 2,99% 7,98% 5,81%

Tabela 33 – Redução do erro relativo [%] I-VSP vs VSP

49

A implementação do I-VSP permitiu assim, à excepção da combinação “C. Extra-Urbana SI” – “V.

Extra-Urbana SI 2” reduzir sempre o erro que havia sido obtido através dos 14 modos VSP. Registou-

se para a “C. Mista SI”, uma redução do erro de, em média, 5,81%.

Uma vez que as emissões de dióxido de carbono são directamente proporcionais ao consumo de

combustível, através do factor de 2,30 kgCO2 lgasolina⁄ , a Tabela 34 mostra as estimativas das

emissões de CO2 obtidas através da “C. Mista SI” para cada uma das viagens testadas.

Emissões CO2 [g/km] V. Urbana SI V. Mista SI V. Extra-Urbana SI 1 V. Extra-Urbana SI 2

Emissões Medidas 161,92 163,76 171,81 148,12 C. Mista SI 166,06 161,69 156,40 143,75

Tabela 34 – Emissões de CO2 estimadas [g/km] de cada viagem – I-VSP

Por fim, e servindo de sustentação às conhecidas críticas recorrentemente feitas ao ciclo NEDC,

comparam-se os valores de consumo de combustível e de emissões estimados com os valores de

homologação do automóvel a gasolina utilizado neste trabalho. É facilmente perceptível através da

tabela anterior que de facto o ciclo NEDC é demasiado suave para produzir resultados realísticos (note-

se que a velocidade média do NEDC é de aproximadamente 33,6 km/h, enquanto a velocidade média

da “C. Mista SI” é de 47,39 km/h). Na verdade, os 4,3 l/100 km e as emissões de 99 g CO2/km

anunciados, estão muito longe de qualquer um dos valores calculados e estimados.

Toyota Yaris 1.0L Gasolina Valores de Homologação

Consumo Combustível Médio 4,3 l/100km Emissões CO2 99 g/km

Tabela 35 – Valores de Homologação do Toyota Yaris 1.0L

50

4.3. Aplicação da Metodologia a um Veículo Diesel

Depois de validado o I-VSP e definidos os parâmetros aconselháveis para a sua aplicação ao veículo

a gasolina no qual foi testado, é necessário extrapolar a sua utilização a um veículo com motor diesel,

uma vez que, tipicamente, as velocidades de rotação do motor são significativamente mais baixas

quando comparadas com as rpm num automóvel a gasolina. Semelhante procedimento ao

anteriormente utilizado para a validação da metodologia no veículo a gasolina foi adoptado.

“Caracterizações” e “Viagens”

o Caracterizações

Uma vez ter já sido concluído acima que a caracterização do veículo deve ter como base viagens que

recriem condições de condução o mais variadas possível, apenas a “C. Mista DI” foi utilizada. Esta

caracterização corresponde a situações de condução semelhantes à “C. Mista SI” mas medidas no

automóvel com motor a diesel, representando um misto de percursos urbanos e de auto-estrada.

Tempo

[s] Distância

[km] Velocidade

Média [km/h] rpm Média

Consumo Médio [l/100km]

Emissões CO2 [g/km]

C. Mista DI 10535 118,14 40,37 1356 5,74 154,98

Tabela 36 – Detalhes da caracterização do Veículo Diesel 1.6L

Figura 33 – Distribuição de tempo por modo VSP – Caracterização Veículo Diesel

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSPC. Mista DI

51

o Viagens

Três viagens diferentes foram definidas para o veículo a diesel, mostrando-se então detalhados os

valores que caracterizam cada um dos percursos utilizados na Tabela 37. Esta informação pode ser

complementada pelas respectivas distribuições VSP de cada viagem que se encontram no Anexo I.

Tempo

[s]

Distância [km]

Velocidade Média [km/h]

rpm Média

Consumo Médio

[l/100km]

Emissões CO2

[g/km]

V. Mista DI 7322 100,17 49,25 1469 5,88 158,76 V. Extra-Urbana DI 9529 272,90 103,10 2165 6,33 170,91

V. Urbana DI 4744 44,51 33,77 1230 4,34 117,18

Tabela 37 – Detalhes das viagens do Veículo Diesel 1.6L

Figura 34 – Distribuição de tempo por modo VSP [%] – Viagens Veículo Diesel

A “V. Mista DI” representa um compromisso entre a “V. Extra-Urbana DI” e a “V. Urbana DI”,

apresentando assim valores de velocidade média e rotação média do motor moderados.

Por sua vez, a “V. Extra-Urbana DI” consiste num perfil típico de auto-estrada, com elevadas

velocidades do automóvel e altas rpm. Elevado consumo de combustível, 6,33 l/100km.

Finalmente, a “V. Urbana DI” é sugerida como uma viagem mais urbana, com baixas velocidades e em

regimes do baixa velocidade de rotação do motor. Esta é das três viagens a que tem o menor consumo

médio de gasóleo e as emissões de CO2 médias mais reduzidas.

0%

5%

10%

15%

20%

25%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[%

]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSPV. Mista DI V. Extra-Urbana DI V. Urbana DI

52

Resultados da Validação

A validação da aplicação do I-VSP a um automóvel a diesel foi feita de modo semelhante ao que foi

acima já descrito para o caso do Toyota Yaris. Assim, mostram-se os gráficos e as tabelas que

fundamentam a escolha dos parâmetros recomendados para a aplicação da metodologia ao veículo

diesel testado. A Tabela 38 apresenta sumariamente os valores de consumo de combustível

experimentalmente obtidos para cada uma das viagens no veículo em estudo.

V. Mista DI V. Extra-Urbana DI V. Urbana DI

Consumo Médio Exacto [l/100km] 5,88 6,33 4,34 Emissões CO2 [g/km] 158,76 170,91 117,18

Tabela 38 – Consumo de combustível médio [l/100km] e emissões de CO2 exactos

Partindo do pressuposto que os valores escolhidos para o rácio entre as componentes da velocidade

e da aceleração do VSP seriam os mesmo a aplicar em automóveis a gasolina e a diesel, o estudo da

convergência do erro com a rotação de corte escolhida foi efectuado para os valores de VSPv/VSPa de

0,1 – 0,6.

A Figura 35 mostra que foi obtido o erro médio mínimo de 4,05% quando a rotação de corte utilizada

foi de 1800 rpm, sendo por isso este o valor recomendado.

o Rotação de Corte = 1800 rpm

Figura 35 – Estudo da convergência do erro com a velocidade de rotação de corte – Veículo Diesel

4,05%

0,0%

2,0%

4,0%

6,0%

8,0%

10,0%

12,0%

14,0%

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

Erro

Rel

ativ

o [

%]

Velocidade de rotação de Corte (rpm)

Convergência do Erro

Erro Médio V. Mista DI V. Extra-Urbana DI V. Urbana DI

53

Determinada a velocidade de rotação de corte de 1800 rpm, foram testados diferentes valores para a

definição dos três intervalos de VSPv/VSPa e conclui-se que os resultados mais precisos seriam

obtidos através dos mesmos valores previamente recomendados para o veículo a gasolina.

o VSPv/VSPa = 0,1 – 0,6

Parâmetros Recomendados

Velocidade de rotação de Corte 1800 rpm VSPv/VSPa 0,1 – 0,6

Tabela 39 – Parâmetros recomendados para aplicação I-VSP - Veículo Diesel

A aplicação dos parâmetros recomendados ao “Improved – Vehicle Specific Power”, em particular

através da “C. Mista DI” e da sua combinação com cada uma das viagens definidas, permitiu estimar

os seguintes consumos de combustível médios, para os quais se apresentam igualmente o erro relativo

ao consumo medido e para as respectivas emissões de dióxido de carbono.

Consumo [l/100km] V. Mista DI V. Extra-Urbana DI V. Urbana DI

Consumo Medido 5,88 6,33 4,34 C. Mista DI 5,94 (+1,01%) 6,71 (+6,09%) 4,95 (+5,06%)

Tabela 40 – Consumo médio estimado para parâmetros recomendados e respectivo erro relativo – I-VSP

VSPv/VSPa Erro Médio

C. Mista DI 4,05%

Tabela 41 - Erro relativo médio [%] parâmetros recomendados – I-VSP

Emissões CO2 [g/km] V. Mista DI V. Extra-Urbana DI V. Urbana DI

Emissões Medidas 158,76 170,91 117,18 C. Mista DI 160,38 169,02 133,65

Tabela 42 – Emissões de CO2 estimadas [g/km] de cada viagem – I-VSP

Mais uma vez, pela comparação dos resultados obtidos quer experimentalmente, quer estimados, com

os valores publicados pelas marcas (valores da homologação) as diferenças são por demasiado

evidentes, sendo estes últimos muito conservativos.

Veículo 1.6L Diesel Valores de Homologação

Consumo Combustível Médio 4,5 l/100km Emissões CO2 119 g/km

Tabela 43 – Valores de Homologação do veículo diesel

54

4.4. Conclusão

Como conclusão deste capítulo da tese, apresenta-se na tabela seguinte um pequeno resumo da

validação da metodologia desenvolvida, nomeadamente os parâmetros recomendados para o veículo

a gasolina e para o veículo diesel e o erro médio obtido relativamente aos valores de consumo

assumidos como exactos e reais.

Veículo Parâmetros Recomendados

Erro Relativo Médio Caracterização V. Rotação de Corte VSPv/VSPa

Toyota Yaris “C. Mista SI” 3000 rpm 0,1 – 0,6 3,97 % Veículo Diesel “C. Mista DI” 1800 rpm 0,1 – 0,6 4,05 %

Tabela 44 – Resumo validação I-VSP (Parâmetros recomendados e erro médio)

Confirmou-se que a caracterização do veículo deve ser feita de modo a compreender um conjunto de

pontos e situações de condução o mais variado possível, permitindo assim caracterizar

convenientemente cada regime de operação do veículo de modo a produzir estimativas razoáveis para

qualquer condutor ou perfil de condução ao qual a metodologia se aplica. No entanto, utlizado o I-VSP,

mesmo que a caracterização utilizada não seja a óptima, as estimativas de consumo obtidas são mais

próximas dos valores medidos do que os resultados obtidos através do VSP.

É no entanto de salientar que, os parâmetros recomendados, nomeadamente os valores da rotação

de corte e do rácio VSPv/VSPa, são apenas referentes a cada um dos dois veículos estudados em

particular, sendo que para poderem ser generalizados a todos os veículos de uma determinada

tecnologia teria de ser efectuado um estudo estatístico com uma amostra de carros suficientemente

grande para que fosse estatisticamente válida.

55

5. Casos de Estudo

Por último, com o intuito de exemplificar a utilidade de ferramenta desenvolvida, apresentam-se duas

possíveis aplicações.

5.1. Comparação de Condutores

O I-VSP foi aplicado a cada um dos dois automóveis em foco no decorrer do presente trabalho,

avaliando os diferentes impactos resultantes da combinação com dois perfis de condução distintos, ou

seja, dois condutores diferentes. Uma vez que um dos parâmetros fundamentais do I-VSP é a

velocidade de rotação do motor, que não é igual em veículos diesel e a gasolina, apenas é possível

combinar condutores e veículos da mesma tecnologia, isto é, para aplicar a metodologia a um veículo

a gasolina é necessário que a recolha dos dados que caracterizam o perfil do condutor tenha sido

efectuada num veículo da mesma tecnologia.

Condutores

Os condutores estudados no âmbito destes pequenos casos de estudo foram os seguintes:

Condutor A Condutor B Condutor C Condutor D

Sexo Masculino Masculino Feminino Masculino Idade 35 – 49 anos 18 – 25 anos 35 – 49 anos 18 – 25 anos

Experiência 25 – 49 anos 5 – 10 anos 10 – 24 anos 5 – 10 anos Tecnologia do Veículo Gasolina Gasolina Diesel Diesel

Tabela 45 – Características dos condutores estudados

Os dados que foram utilizados para caracterizar cada um dos quatro condutores foram recolhidos

experimentalmente através da utilização do i2D em outros veículos que não os utilizados anteriormente

no âmbito desta dissertação. Mostram-se assim, as principais características das viagens que

caracterizam o estilo de condução de cada um dos quatro indivíduos presentes na Tabela 46.

Condutor A Condutor B Condutor C Condutor D

Tecnologia do Veículo Gasolina Gasolina Diesel Diesel Distância Percorrida [km] 121,39 34,28 98,38 100,17 Velocidade Média [km/h] 47,43 50,36 46,28 47,25 V. Rotação Média [rpm] 1801 2212 1554 1469

Tabela 46 – Características do perfil de condução de cada condutor

Ainda na Tabela 46 é possível constatar que a velocidade média que caracteriza cada um dos 4 perfis

de condução é muito próxima entre todos eles, encontrando-se sempre compreendida entre os 46 km/h

56

e os 51 km/h. No entanto, o valor da rotação média do motor característica de cada indivíduo, já varia

mais de condutor para condutor, sendo a diferença entre o “Condutor A” e o “Condutor B” de mais de

400 rpm. É também normal que esta diferença na velocidade de rotação seja menor de condutor para

condutor nos carros a diesel, uma vez que a gama de velocidades de rotações na qual o motor trabalha

é mais reduzida que num motor de ciclo Otto.

Na Figura 36 e na Figura 37 são mostradas as distribuições VSP do perfil de condução de cada um

dos condutores utilizados neste exemplo de aplicação. No primeiro gráfico são comparados os

condutores de automóveis a gasolina e no segundo os de veículos a diesel.

Apesar de ser aplicada a metodologia I-VSP, por simplicidade são apresentadas as distribuições de

VSP como suporte para a definição dos diferentes perfis de condução de cada indivíduo.

Figura 36 – Distribuição de tempo por modo VSP [%] – Condutor A e Condutor B

0%

5%

10%

15%

20%

25%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[%

]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

Condutor A Condutor B

57

Figura 37 – Distribuição de tempo por modo VSP [%] – Condutor C e Condutor D

Resultados

Assim, mediante a aplicação do I-VSP foram obtidos os seguintes resultados para cada uma das

combinações entre os veículos previamente caracterizados e os condutores monitorizados.

o Toyota Yaris 1,0L – Gasolina

I-VSP VSP

Consumo Combustível Emissões de CO2 Consumo Combustível Emissões de CO2 Condutor A 6,13 l/100km 140,95 g/km 6,46 l/100km 148,67 g/km Condutor B 7,03 l/100km 161,63 g/km 6,78 l/100km 155,96 g/km

Tabela 47 – Estimativas de consumo e emissões de CO2 para o Toyota Yaris – I-VSP vs VSP

o Veículo 1,6L – Diesel

I-VSP VSP

Consumo Combustível Emissões de CO2 Consumo Combustível Emissões de CO2 Condutor C 6,64 l/100km 179,23 g/km 6,48 l/100km 175,08 g/km Condutor D 5,94 l/100km 160,31 g/km 5,90 l/100km 159,30 g/km

Tabela 48 – Estimativas de consumo e emissões de CO2 para o Veículo Diesel – I-VSP vs VSP

0%

5%

10%

15%

20%

25%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSPCondutor C Condutor D

58

5.2. Cálculo do Consumo e Custo Anual de Combustível

Uma outra aplicação que o I-VSP pode ter é servir de base a uma análise económica referente ao

custo anual do combustível de uma determinada viatura. No capítulo 1.2., foi referido que uma análise

baseada nos valores de consumos e emissões publicados pelas marcas automóveis, relativos aos

ciclos de homologação, induz um erro substancial na avaliação dos custos.

Assim, é proposta uma comparação entre os consumos de combustível e os seus custos anuais

calculados com base nos valores de homologação, nas estimativas feitas através das metodologias

VSP e I-VSP e ainda no consumo obtido experimentalmente.

Foi então considerada, arbitrariamente, para cada um dos automóveis a seguinte combinação

caracterização - viagem:

o Toyota Yaris 1,0L Gasolina – “C. Mista SI” – “V. Extra-Urbana SI 2”

o Veículo 1,6L Diesel – “C. Mista DI” – “V. Mista DI”

Para o cálculo dos custos associados a um ano de combustível foi considerado que a distância

percorrida anualmente em média por um condutor seria de 35 km diários, 365 dias por ano, ou seja,

12.775 km (estimativa bastante conservativa).

Os preços utilizados para calcular o custo de gasolina e gasóleo, foram o preço médio registado no dia

10 Setembro de 2014 em Portugal [29].

Preço da Gasolina S/Chumbo 95 Preço do Gasóleo

1,609 €/litro 1,384 €/litro

Tabela 49 – Preço médio da gasolina e do gasóleo em Portugal a 10 Setembro 2014

o Toyota Yaris 1,0L – Gasolina

Conforme mostra a figura seguinte, onde está presente a diferença entre o consumo de combustível

calculado através de cada um dos métodos utilizados e o consumo real obtido experimentalmente, de

todas as aproximações possíveis a que tem como base os valores publicados é a mais conservativa,

representando um consumo inferior ao consumo exacto do veículo em 2,14 l/100km. Por sua vez, a

aplicação da metodologia I-VSP, resulta numa diferença de apenas 0,19 l/100km para o consumo real

obtido.

Estabelecendo a ligação entre consumo médio de combustível e o seu custo anual, é possível observar

que quando foi feita a análise com base no consumo teórico, a despesa real excedeu em 440 € o que

à partida seria esperado. A simples aplicação da metodologia VSP de 14 modos permite reduzir esta

59

diferença de 440 € para 105 €, o que constitui uma aproximação minimamente aceitável. No entanto,

ao aplicar o I-VSP, o custo de gasolina anual apenas difere em 39 € do custo obtido com base no

consumo médio real, o que representa uma diferença quase insignificante (3,25 €/mês), quando

comparada com o custo total, na ordem dos 1.300 €/ano.

Figura 38 – Comparação consumo combustível médio estimado e real – Toyota Yaris

Figura 39 – Comparação custo anual de combustível estimado e real – Toyota Yaris

4,30

5,93 6,25 6,44

2,14

0,510,19

0

1

2

3

4

5

6

7

Consumo Publicado VSP I-VSP Consumo Real

Co

nsu

mo

de

Co

mb

ust

ível

[l/

10

0km

]

Consumo Combustível Médio [l/100km]

Consumo Estimado Diferença para consumo real

884 €

1.219 € 1.285 € 1.324 €

440 €

105 €39 €

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Consumo Publicado VSP I-VSP Consumo Real

Cu

sto

do

Co

mb

ust

ível

[€

/an

o]

Custo Combustível Anual [€/ano]

Custo Estimado Diferença para custo real

60

o Veículo 1,6L – Diesel

No caso do veículo diesel, diferença observada entre valor de consumo de combustível publicado e

consumo de combustível real, para a “V. Urbana DI”, é menor do que aconteceu no caso anterior, ainda

assim continua a ser excessivamente grande, uma diferença de 1,38 l/100km que leva a um desvio da

estimativa dos custos anuais de gasóleo em mais de 280 €, comparando com o consumo de

combustível tomado como real.

Figura 40 – Comparação consumo combustível médio estimado e real – Veículo Diesel

Figura 41 – Comparação custo anual de combustível estimado e real – Veículo Diesel

4,5

5,95 5,94 5,88

1,38

-0,07 -0,06

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

Consumo Publicado VSP I-VSP Consumo Real

Co

nsu

mo

de

Co

mb

ust

ível

[l/

10

0km

]

Custo Combustível Médio [l/100km]

Consumo Estimado Diferença para consumo real

925 €

1.223 € 1.221 € 1.209 €

284 €

-14 € -12 €

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Consumo Publicado VSP I-VSP Consumo Real

Cu

sto

do

Co

mb

ust

ível

[€

/an

o]

Custo Combustível Anual [€/ano]

Custo Estimado Diferença para custo real

61

Por outro lado, neste caso particular a metodologia VSP é bastante precisa, estimando o consumo de

combustível com um desvio de apenas 0,07 l/100km do real, sendo que através do I-VSP esse erro é

ainda mais reduzido e passa a ser de 0,06 l/100km, conforme mostra a Figura 41.

A diferença total na despesa anual de combustível entre o valor obtido a partir do consumo estimado

pelo I-VSP e o consumo medido a bordo da viatura é de apenas 12 € (1 €/mês), 0,0083% do gasto

total de 1.209 €.

62

63

6. Conclusões e Trabalho Futuro

6.1. Conclusões

O presente estudo teve como objectivo principal desenvolver, testar e validar, com a posterior aplicação

a casos de estudo, uma metodologia capaz de estimar o consumo de combustível e emissões de CO2

com base em dados de condução real, recolhidos experimentalmente, baseada em perfis de condução

para diferentes tecnologias de veículos (apenas foram abordadas as tecnologias de veículos a gasolina

e a diesel).

Para tal foi necessário, numa análise preliminar, avaliar e testar a robustez da análise convencional

actualmente adoptada para escalar dados de veículos com diferentes condutores, baseada na

metodologia Vehicle Specific Power. Com essa finalidade, foi então estudada a influência das variáveis

independentes presentes no VSP (velocidade, aceleração e declive da estrada) e da velocidade de

rotação do motor (parâmetro não considerado pela metodologia).

Após avaliadas e estudadas as limitações do VSP, foram implementadas algumas alterações a esta

última com o objectivo de permitir a obtenção de resultados mais reais e robustos, tendo esta

metodologia que contempla as alterações sido denominada de I-VSP (“Improved Vehicle Specific

Power”). Este novo método deveria ser capaz de caracterizar fidedignamente veículos e perfis de

condução, permitindo a sua combinação de modo a obter estimativas de consumos de combustível e

emissões de GEE coerentes com a realidade (valores medidos experimentalmente).

Por fim, de modo a avaliar de que forma as diferentes variáveis de cada combinação veículo – condutor

impactam na performance energética e ambiental da condução, a metodologia I-VSP foi aplicada a

dois condutores diferentes por tecnologia de automóvel, comparando-se posteriormente os resultados

obtidos para cada um dos perfis de condução.

Assim, as conclusões do trabalho apresentam-se abaixo divididas em 3 categorias: Metodologia VSP,

Metodologia I-VSP e Casos de Estudo.

1) Metodologia VSP

Como resultado da análise efectuada à metodologia VSP, concluiu-se que, apesar da aceleração e da

velocidade do veículo serem variáveis da expressão do VSP, existe uma falta de resolução no que

toca à diferenciação de situações onde uma delas é declaradamente dominante. Pode então afirmar-

se que regra geral, para situações de potência equivalente, quando a aceleração prevalece sobre a

componente da velocidade, o consumo de combustível é mais elevado do que quando se regista a

situação oposta.

64

Foi também concluído que a velocidade de rotação do motor a cada instante, sendo uma variável

externa ao VSP, influencia significativamente o consumo de combustível (e consequentemente as

emissões de CO2). Uma vez mais, considerando circunstâncias de igual potência específica do veículo,

registou-se que para velocidades de rotação mais elevadas, o consumo de combustível era claramente

e sistematicamente superior quando comparado com eventos de menor velocidade de rotação do

motor.

Conclui-se então que maiores acelerações e velocidades de rotação mais elevadas levam a menor

eficiência energética dos automóveis. A suportar as conclusões acima presentes, e de acordo com o

estudo de Ericsson [19] (Capítulo 1.2), a elevada aceleração, a velocidade de rotação do motor e a

velocidade do veículo (nomeadamente as oscilações de velocidade e as situações de elevada

potência) são os factores que maior influência exercem sobre o consumo de combustível e as emissões

dos automóveis.

Por fim, foi ainda verificado a respeito da metodologia VSP que esta não permite aproximações

suficientemente precisas para ser considerada robusta e fiável. De acordo com as estimativas de

consumo obtidas no presente trabalho, o erro registado relativamente aos valores reais variou entre os

2,05% e os 24,45%, ou seja o VSP não é capaz de produzir estimativas de consumos válidas para

todas as combinações de veículos e perfis de condução.

2) Metodologia I-VSP

A respeito da nova metodologia desenvolvida, o I-VSP, o presente estudo permitiu extrair as seguintes

conclusões:

Para que os resultados da aplicação desta metodologia possam ser representativos da realidade e

produzir boas estimativas de consumos e emissões, a caracterização dos veículos a utilizar deverá ser

feita de modo a compreender um conjunto de pontos e situações de condução o mais variado possível,

permitindo assim um número razoável de eventos para cada regime de operação do veículo. Nos casos

estudados, devem ser utilizadas a “C. Mista SI” e a “C. Mista DI” para o veículo a gasolina e a diesel,

respectivamente.

A grande vantagem que apresenta relativamente ao VSP é a subcategorização de cada modo de

potência em classes de velocidade de rotação do motor e de relação entre velocidade e aceleração

instantâneas do veículo. Com esta divisão, o I-VSP permite assim distinguir situações de igual potência

que, no entanto, devido às suas especificidades (maior velocidade, aceleração ou rpm) apresentam

consumos de combustível instantâneos diferentes.

65

Assim, e para que possam ser obtidas boas estimativas independentemente do perfil de condução que

se pretende simular, é necessário que sejam utilizados os parâmetros correctos. Posto isto, para além

de uma caracterização mista do veículo em uso, consoante a tecnologia do mesmo, são recomendados

os seguintes parâmetros:

o Toyota Yaris: Velocidade de Rotação de Corte = 3000 rpm; Intervalo de valores VSPv/VSPa =

0,1 – 0,6

o Veículo Diesel: Velocidade de Rotação de Corte = 1800 rpm; Intervalo de valores VSPv/VSPa

= 0,1 – 0,6

Por fim, confirmou-se que o acréscimo na resolução das diferentes situações de condução foi traduzido

numa melhoria dos resultados obtidos. Foram então registados erros relativamente aos consumos

reais sempre inferiores a 10%, sendo que mediante a utilização dos procedimentos de caracterização

e dos parâmetros recomendados, a aplicação do I-VSP produziu um erro médio entre todas as viagens

testadas de 3,97% para o Toyota Yaris e de 4,05% para o automóvel a gasóleo. No caso particular do

Toyota Yaris, a redução do erro registada, relativamente aos valores obtidos através do VSP, foi em

média de 5,81%, ou seja, de 9,78% para 3,97%.

3) Casos de Estudo

Foram comparados os impactos energéticos obtidos mediante a aplicação do I-VSP a dois condutores

diferentes por tecnologia de veículo.

Para o veículo a gasolina concluiu-se que o “Condutor A” (sexo masculino), mais velho e mais

experiente, obteve um consumo médio inferior, 6,13 l/100km comparados com os 7,03 l/100km do

“Condutor B” (sexo masculino). O “Condutor A” foi igualmente o que apresentou uma rotação do motor

média mais baixa.

Já para o veículo a diesel, foram comparados condutores de sexos diferentes, condutor C (sexo

feminino) e Condutor D (sexo masculino), tendo-se verificado que o “Condutor D” apresentou um

consumo médio de gasóleo na ordem dos 5,94 l/100km e o “Condutor C” de 6,64 l/100km. Mais uma

vez, e apesar do “Condutor D” ser mais novo e menos experiente, concluiu-se que o perfil de condução

com menor rotação média do motor apresentou-se como sendo economicamente mais eficiente.

Concluindo, verificou-se que o I-VSP teve maior influência na distinção dos dois condutores no veículo

a gasolina do que no carro a diesel. Para o Toyota Yaris, mediante a aplicação do VSP a diferença de

consumo de combustível entre os dois condutores seria de 0,3 l/100km, tendo passado a ser de 0,9

l/100km quando utilizado o I-VSP. No veículo diesel, o I-VSP reduziu a diferença de consumo entre

“Condutor C” e “Condutor D” de 0,7 l/100km para 0,58 l/100km, sendo que provocou uma diminuição

ligeira na estimativa do consumo de ambos. Tal poderá ser explicado pela maior influência da rotação

66

em automóveis SI, principalmente no caso particular do Toyota Yaris 1,0L que, por ter um motor pouco

potente faz uso de uma muito maior gama de velocidades de rotação, de modo a com um menor binário

poder obter a mesma potência. Outra razão para tal é o facto dos motores a diesel serem não só mais

eficientes como menos sensíveis aos parâmetros de operação que os motores a gasolina.

Outro dos resultados principais do desenvolvimento desta metodologia foi permitir uma avaliação

precisa e fiável dos custos associados ao consumo de combustível para um determinado perfil de

condução. Partindo de algumas aproximações, foram, para duas viagens aleatoriamente escolhidas,

comparados os custos anuais associados a combustível, obtidos para cada um dos veículos em

estudo, através de uma análise baseada nos valores publicados pelas marcas e através da aplicação

do I-VSP. Os resultados foram reveladores - os gastos obtidos recorrendo ao I-VSP foram superiores

aos valores publicados, em 440€ no veículo a gasolina e 284€ no diesel. A diferença registada para os

valores de consumo reais foi de 39€ e 12€, respectivamente.

6.2. Trabalho Futuro

Como trabalho a efectuar futuramente, na mesma linha do estudo conduzido nesta dissertação,

deixam-se as seguintes sugestões:

Estudar estatisticamente a uniformização dos parâmetros contemplados pela metodologia I-VSP. Os

parâmetros devem ser universais para cada tecnologia de veículo ou, pelo menos deverá ser

desenvolvida uma eventual relação com uma determinada característica do automóvel, por exemplo a

cilindrada. Também é importante que se desenvolva uma correlação entre os parâmetros a utilizar nas

diferentes tecnologias de veículos, uma vez que por exemplo, a gama de rotações do motor na qual

operam veículos a diesel e a gasolina é consideravelmente diferente.

Alargar o espectro da metodologia I-VSP a veículos de tecnologias alternativas, introduzindo novas

variáveis que possam ser relevantes, como é o caso do estado da carga da bateria (SOC – State Of

Charge) em carros cuja tecnologia tenha uma base eléctrica.

Por fim, sugere-se ainda a hipótese de agrupar conjuntos de pessoas em classes de acordo com o

estilo de vida característico, sendo provavelmente o sexo e a idade os principais factores

diferenciadores. Caracterizando o comportamento de condução típico dos indivíduos pertencentes a

cada um destes grupos, e ajustando-os às necessidades específicas de cada condutor, seria possível

estimar com alguma precisão o consumo de combustível e as emissões resultantes da condução num

determinado veículo, independentemente da tecnologia, sem necessidade de monitorizar o condutor

para caracterizar o seu perfil de condução.

67

7. Referências Bibliográficas

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[33] – Ntziachristos, L. and Samaras, Z. COPERT III: Computer program to calculate emissions from

road transport - Methodology and emission factors (Version 2.1) (2000), European Environment

Agency.

[34] – Barth M., F. An, T. Younglove, G. Scora, C. Levine, M. Ross, and T. Wenzel, Development of a

comprehensive modal emissions model. Final report, National Cooperative Highway Research

Program Project 25-11, 2000

[35] – Silva, C.M., Farias, T.L., Frey, H.C., Rouphail, N.M., 2006. Evaluation of numerical models for

simulation of real-world hot-stabilized fuel consumption and emissions of gasoline light-duty

vehicles. Transportation Research Part D 11, 377–385.

[36] – http://www.avl.com/wo/webobsession.servlet.go?app=bcms&page=view&nodeid=400030459

[Online]

[37] – http://www.transportation.anl.gov/modeling_simulation/PSAT/index.html [Online]

70

i

ANEXO I

Distribuições VSP

C. Extra-Urbana SI

C. Urbana SI

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

ii

C. Mista SI

C. Mista DI

0

500

1000

1500

2000

2500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

iii

V. Urbana SI

V. Mista SI

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Distribuição de Tempo por Modo VSP

iv

V. Extra-Urbana SI 1

V. Extra-Urbana SI 2

0

200

400

600

800

1000

1200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

v

V. Mista DI

V. Extra-Urbana DI

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

vi

V. Urbana DI

“Condutor A”

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

0

500

1000

1500

2000

2500

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

vii

“Condutor B”

“Condutor C”

0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Distribuição de Tempo por Modo VSP

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

viii

“Condutor D”

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Tem

po

[s]

Modos VSP

Distribuição de Tempo por Modo VSP

ix

ANEXO II

Toyota Yaris 1,0L - Gasolina

Estudo do Erro para “C. Mista SI” – “V. Mista SI”

Selecção do Parâmetro Velocidade de Rotação de Corte “C. Mista SI” – “V. Mista SI”

Velocidade de Rotação de Corte [rpm] VSPv/VSPa 1500 2000 2500 2700 2800 3000 3200 0,1 – 0,3 4,37% 4,11% 2,46% 1,55% 1,39% 1,33% 1,82%

Selecção do Parâmetro VSPv/VSPa “C. Mista SI” – “V. Mista SI”

VSPv/VSPa Rotação de Corte [rpm] 0,0 – 0,3 0,0 – 0,5 0,1 – 0,3 0,1 – 0,6 0,2 – 0,7

3000 1,31% 1,24% 1,33% 1,27% 1,37%

Veículo 1,6L – Diesel

Estudo do Erro para “C. Mista DI” – “V. Mista DI”

Selecção do Parâmetro Velocidade de Rotação de Corte “C. Mista DI” – “V. Mista DI”

Velocidade de Rotação de Corte [rpm] VSPv/VSPa 1100 1200 1300 1500 1800 2000 2200 0,1 – 0,6 0,73% 0,83% 0,86% 0,84% 1,01% 1,41% 1,10%

Selecção do Parâmetro VSPv/VSPa “C. Mista DI” – “V. Mista DI”

VSPv/VSPa Rotação de Corte [rpm] 0,0 – 0,3 0,0 – 0,5 0,1 – 0,3 0,1 – 0,6 0,2 – 0,7

1800 1,07% 1,04% 0,77% 1,01% 0,86%