MONITORIZAÇÃO DO EFEITO DO COMPORTAMENTO DE CONDUÇÃO NO CONSUMO EM VEÍCULOS LIGEIROS DIESEL. Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

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1 MONITORIZAÇÃO DO EFEITO DO COMPORTAMENTO DE CONDUÇÃO NO CONSUMO EM VEÍCULOS LIGEIROS DIESEL Joana Peleja Madureira Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Júri: Presidente: Orientador: Co-orientador: Vogal: Prof. Mário Manuel Gonçalves da Costa Doutora Carla Alexandra Monteiro da Silva Doutor Gonçalo Nuno Antunes Gonçalves Prof. António Luís Nobre Moreira Outubro de 2009 i

2 Agradecimentos À minha família pelo magnífico apoio, motivação e estabilidade, factores essenciais para o meu desenvolvimento pessoal e académico. Ao Instituto Superior Técnico pela formação, capacidade de gestão de tempo e o know-how para encontrar sempre soluções para atingir qualquer objectivo. Um especial agradecimento às cadeiras do ramo de energias que me ajudaram a definir as áreas científicas que mais me motivam. Ao Professor Tiago Farias pelo incentivo, motivação, disponibilidade e pelas enriquecedoras orientações ao longo de todo o desenvolvimento deste trabalho. À Doutora Carla Silva e ao Doutor Gonçalo Gonçalves pela excelente orientação e pela forma como me receberam na equipa. À equipa DTEA Transportes Energia e Ambiente pela forma como me integraram e apoiaram, em especial ao Gonçalo Duarte e ao João Bravo. Ao Professor Francisco Lima, pelos elucidativos esclarecimentos de Estatística. Aos meus grandes amigos, Rute Tomaz, Pedro Antunes, Pedro Viegas e José Mourinho, para quem palavras não chegariam para definir a minha enorme gratidão pela amizade e companheirismo que sempre me ofereceram. i

3 Resumo Este trabalho tem como objectivo monitorizar o efeito do comportamento de condução nos consumos em veículos diesel. A monitorização efectuou-se através de dataloggers ligados às portas OBDII dos veículos (CarChip). A metodologia deste trabalho baseou-se na monitorização de cinco condutores durante um período de vinte dias. Os dez primeiros dias disseram respeito à primeira fase em que foi monitorizada a condução habitual dos participantes e os dez dias seguintes corresponderam à monitorização do comportamento de condução após os condutores terem sido submetidos a uma formação sobre as regras de ecocondução, em que estas regras foram detalhadamente esclarecidas evidenciando os benefícios nos consumos e na redução de emissões de poluentes. Os critérios de avaliação do comportamento de condução basearam-se nas regras de eco-condução, que englobam a dinâmica de condução (aceleração, velocidade), tempo ao ralenti, gestão da caixa e análise de consumos. Foi averiguado se os condutores estariam a ser limitados pelos desempenhos dos veículos uma vez que os veículos apresentavam diferentes razões potência/peso. Foram desenvolvidas duas metodologias com o objectivo de analisar os perfis dinâmicos dos condutores através de abordagens distintas. A metodologia Vehicle Specific Power, VSP e análise de variância, ANOVA, reflectindo dois indicadores distintos. Os modelos desenvolvidos provaram ser eficazes na análise dos perfis dinâmicos dos condutores uma vez que, através destes foi possível uma distinção de comportamento de condução nos diferentes participantes e uma avaliação da evolução comportamental com a formação em eco-condução. Em termos de limitações impostas pelos veículos demonstrou-se que o condutor com o veículo de maior razão potência/peso apresentava ser o único condicionado pela capacidade de aceleração do veículo, levando a concluir que se possuísse um veículo com maior razão potência/peso pudesse ser ainda mais agressivo. Verificou-se que a regra referente às situações desnecessárias de ralenti foi ignorada por todos os condutores excepto por um. Relativamente à análise da eficácia de gestão de caixa com o intuito do aproveitamento das situações de corte de injecção de combustível verificou-se que todos os condutores já tiravam partido desta técnica, com excepção de um condutor, que apresentou uma evolução apreciável após ter sido esclarecido. Em termos de consumos, foi possível apurar que os condutores que apresentaram maior evolução na análise da dinâmica de condução obtiveram maiores reduções de consumos que chegaram até 29%. Palavras Chave: Monitorização, CarChip, Comportamento de Condução, VSP, OBD ii

4 Abstract This work monitors and records the effects of a selected group of drivers and their driving behaviour in the consumption of diesel fuel cars. The challenge was based on the comparison of different driving behaviours and the individual analysis of the drivers progress after they have adopted new techniques of driving. The monitoring was accomplished by using the datalogger CarChip technology, manufactured by Davis Instruments, and linked to the OBDII port of the vehicles concerned. This monitoring was carried out by five drivers for a period of twenty days. The initial phase comprises ten days which monitored the usual driving habits of the participants; the following phase corresponds to the monitoring of the drivers behaviour after they have been fully instructed about the eco-driving rules which aim for less fuel consumption and a reduction of the car emission gases. The evaluation criteria of driving behaviours, based on the eco-driving rules, encompass the driving dynamics (acceleration, speed), idling time, correct use of the transmission and the analysis of fuel consumption. Each car was checked to ensure that drivers would not be restricted by their cars performance since these showed different engine power/weight ratios. Two driving dynamic qualification and experience validation methodologies were developed using the VSP method (Vehicle Specific Power) and statistic methods, ANOVA1. The developed methods proved to be efficient for it and it was possible to distinguish the driving behaviour of the different participants in these two different phases. The limitations of the vehicles demonstrated that the most aggressive driver seemed to be the only one conditioned by the vehicle acceleration capacity. This one demanded more than 90% of the maximum engine power in certain situations. Therefore one concludes that if he possessed a car with more engine power/weight ratio, he would be even more aggressive. It was also proved that the gentlest driver is gentle by choice, reaching the maximum of 60% of the engine maximum power of the vehicle. All participants showed alterations in their driving behaviour, becoming gentler in accelerations and decelerations. The unnecessary idling time was ignored by many drivers. In what concerns the use of fuel cut mechanism situations it was verified that all drivers but one, benefited from this measure even before the training lesson. The driver who didn t benefit from this technology corrected himself in the second phase of monitoring. It was verified that all participants that showed significant alterations in their driving behaviour, becoming gentler showed significantly consumption reduction going up to 29% of fuel reduction. Keywords: Monitoring, CarChip, Driving Behaviour, VSP, OBD iii

5 Índice de Tabelas Tabela 1 Características dos veículos monitorizados. Fontes: [33], [34], [35], [36] e [37] Tabela 2 Dicas de Eco-Condução e respectivos indicadores numéricos Tabela 3 Classes do VSP Tabela 4 Escala de pontuação correspondente aos diferentes intervalos de va Tabela 5 Coeficiente de excesso de ar mínimo dos diferentes veículos. Fonte: [43] Tabela 6 Média e desvio padrão para as variáveis: velocidade, aceleração e desaceleração antes e depois da formação em eco-condução Tabela 7 Evolução verificada nos diferentes condutores resultado da formação em eco-condução para a componente va positiva Tabela 8 Evolução verificada nos diferentes condutores resultado da formação em eco-condução para a componente va negativa Tabela 9 Evolução verificada nos diferentes condutores resultado da formação em eco-condução para a componente v Tabela 10 Avaliação dos condutores nas diferentes componentes, va positivo, va negativa e v antes e depois da formação em eco-condução Tabela 11 Evolução verificada nos diferentes condutores resultado da formação em eco-condução para a aceleração positiva Tabela 12 Evolução verificada nos diferentes condutores resultado da formação em eco-condução para a aceleração negativa Tabela 13 Evolução verificada nos diferentes condutores resultado da formação em eco-condução para o consumo (l/100km)/consumo Referencia (l/100km) iv

6 Índice de Figuras Figura 1 Estimativas de redução de emissões. Fonte: [2]... 4 Figura 2 Normas europeias de emissões de VLP em g/km. Fonte: [3]... 5 Figura 3 Normas de emissões nos EUA em g/milha. Fonte: [3]... 6 Figura 4 Evolução dos preços do gasóleo rodoviário em Portugal. Fonte: [4]... 7 Figura 5 Evolução dos preços da gasolina em Portugal. Fonte: [4]... 7 Figura 6 Mapa do Protocolo de Quioto em 2009; Legenda: Verde : Países que ratificaram o protocolo; Amarelo : Países que ratificaram, mas ainda não cumpriram o protocolo; Vermelho : Países que não ratificaram o protocolo; Cinzento : Países que não assumiram nenhuma posição no protocolo; Fonte [5] 8 Figura 7 Esquema representativo do conceito de Mobilidade Sustentável Figura 8 Esquema representativo dos factores que influenciam a taxa de consumo de combustível Figura 9 Aparelho de Monitorização, CarChip (Davis Instruments) Figura 10 Porta OBDII Fonte: Figura 11 Imagem gerada pelo Software CarChip de uma viagem exemplo Figura 12 Perfil dinâmico do Condutor 1 antes da formação em eco-condução realçando as zonas críticas Figura 13 Representação das componentes que envolvem o conceito do VSP Figura 14 Isolinhas do VSP (-32,-16,-8,-4,-2,2,4,8,16,32) Figura 15 Isolinhas do VSP (0,1) que delimitam o VSP que representa o ralenti Figura 16 Isolinhas de va (-32, -16, -8, -4, -2, 2, 4, 8, 16, 32) Figura 17 Isolinhas va com os respectivos intervalos de pontuação Figura 18 Representação da escala de pontuação para a velocidade Figura 19 Novo ciclo de condução europeu, NEDC. Fonte: [3] Figura 20 Dinâmica 3D do Condutor 1 antes e depois da formação em eco-condução Figura 21 Dinâmica 3D do Condutor 2 antes e depois da formação em eco-condução Figura 22 Dinâmica 3D do Condutor 3 antes e depois da formação em eco-condução Figura 23 Dinâmica 3D do Condutor 4 antes e depois da formação em eco-condução Figura 24 Dinâmica 3D do Condutor 5 antes e depois da formação em eco-condução Figura 25 Dinâmica do Condutor 1 antes de depois da formação em Eco-Condução Figura 26 Dinâmica do Condutor 2 antes de depois da formação em Eco-Condução Figura 27 Dinâmica do Condutor 3 antes de depois da formação em Eco-Condução Figura 28 Dinâmica do Condutor 4 antes de depois da formação em Eco-Condução Figura 29 Dinâmica do Condutor 5 antes de depois da formação em Eco-Condução Figura 30 Dinâmica dos Condutores antes e depois da formação em Eco-Condução Figura 31 Dinâmica dos Condutores (com excepção do Condutor 5) antes e depois da formação em eco- Condução Figura 32 Dinâmica associada ao veículo do Condutor 1 antes e depois da formação em eco-condução Figura 33 Dinâmica associada ao veículo do Condutor 2 antes e depois da formação em eco-condução Figura 34 Dinâmica associada ao veículo do Condutor 3 antes e depois da formação em eco-condução Figura 35 Dinâmica associada ao veículo do Condutor 4 antes e depois da formação em eco-condução Figura 36 Dinâmica associada ao veículo do Condutor 5 antes e depois da formação em eco-condução v

7 Figura 37 Isolinhas de va associados ao perfil dinâmico do Condutor 1 antes e depois da formação em eco-condução Figura 38 Isolinhas de va associados ao perfil dinâmico do Condutor 2 antes e depois da formação em eco-condução Figura 39 Isolinhas de va associados ao perfil dinâmico do Condutor 3 antes e depois da formação em eco-condução Figura 40 Isolinhas de va associados ao perfil dinâmico do Condutor 4 antes e depois da formação em eco-condução Figura 41 Isolinhas de va associados ao perfil dinâmico do Condutor 5 antes e depois da formação em eco-condução Figura 42 Pontuações dos condutores antes e depois da formação em eco-condução para a componente va positiva Figura 43 Pontuações dos condutores antes e depois da formação em eco-condução para a componente va negativa Figura 44 Pontuações dos condutores antes e depois da formação em eco-condução para a componente v Figura 45 Resultados do ANOVA1 com a variável fixa - aceleração positiva Figura 46 Resultados do ANOVA1 com a variável fixa - aceleração negativa Figura 47 Tempo médio gasto ao ralenti no início e no final por viagem dos condutores antes e depois da formação em eco-condução Figura 48 Percentagem da distância percorrida em modo desengrenado dos condutores antes e depois da formação em eco-condução Figura 49 Dinâmica associada ao Consumo (l/100km) do Condutor 1 antes e depois da formação em eco-condução Figura 50 Dinâmica associada ao Consumo (l/100km) do Condutor 2 antes e depois da formação em eco-condução Figura 51 Dinâmica associada ao Consumo (l/100km) do Condutor 3 antes e depois da formação em eco-condução Figura 52 Dinâmica associada ao Consumo (l/100km) do Condutor 4 antes e depois da formação em eco-condução Figura 53 Dinâmica associada ao Consumo (l/100km) do Condutor 5 antes e depois da formação em eco-condução Figura 54 Resultados do ANOVA1 com a variável fixa - Consumo (l/100km) / Consumo Referência (l/100km) vi

8 Abreviaturas ACC adaptive cruise control ANOVA1 análise de variância com um factor fixo ANOVA3 análise de variância com três factores fixos BMW Bayerische Motoren Werke CO Monóxido de Carbono CO 2 Dióxido de Carbono EPA Environment Protection Agency EU União Europeia FTIR Fourier Transform Infra-Red g gravidade HC Hidrocarbonetos LOS level of service LPG Liquefied petroleum gas MAP Manifold Air Pressure NO x Óxidos de Azoto NEDC Novo Ciclo de Condução Europeu OBD On-Board Diagnostic PM Partículas P/p razão Potência/peso PEMS Portable Emission Measurement System SPSS Statistical Package for the Social Sciences RPM Rotações Por Minuto VW Volkswagen VP veículos pesados VSP vehicle specific power VLP veículos ligeiros passageiros λ coeficiente de excesso de ar µ média σ desvio padrão vii

9 Índice 1. Introdução Objectivos da Dissertação Estrutura do Documento Enquadramento à Problemática Mobilidade Sustentável Factores que Influenciam os Consumos Estado da Arte Monitorização de Veículos Comportamento de Condução Metodologia Estratégia de desenvolvimento Monitorização Processamento de Dados Descrição dos Veículos Monitorizados Critérios de Avaliação de Condução Dinâmica Análise VSP Análise ANOVA Ralenti Gestão de Caixa Consumos Resultados Dinâmica Análise VSP Análise ANOVA Ralenti Gestão da Caixa Consumos Conclusões e Trabalho Futuro Conclusões Trabalho Futuro Referências Bibliográficas

10 1. Introdução Neste capítulo apresentam-se os objectivos deste trabalho, a estrutura do documento, o enquadramento à problemática, o conceito de mobilidade sustentável e os factores que influenciam o consumo de combustível Objectivos da Dissertação Este trabalho teve como principal objectivo monitorizar o efeito do comportamento de condução nos consumos em veículos ligeiros de passageiros diesel. Foi também tido como alvo evidenciar os benefícios em termos de consumos na adopção de práticas na área comportamental de condução relativamente simples de aplicar sem implicar custos em alterações na tecnologia ou nos combustíveis, apenas através de pequenas alterações no comportamento de condução. Neste trabalho pretende realçar a capacidade de monitorização através de pequenos aparelhos de fácil aplicação nos veículos, a tecnologia CarChip. Estes aparelhos possibilitam efectuar monitorizações em estrada e em tempo real, e têm em consideração todas as variáveis inerentes ao acto de condução. Esta tese de dissertação pretendeu também dar um contributo na área de avaliação do comportamento de condução onde são apresentadas metodologias que possibilitam a distinção de diferentes comportamentos de condução Estrutura do Documento Esta tese de dissertação foi organizada do seguinte modo: No capítulo 1 apresenta-se toda a envolvente problemática, enquadrando a necessidade deste tipo de investigação na comunidade científica. Aborda sucintamente a temática da dependência do petróleo, na preocupação cada vez mais visível dos países em reduzir as emissões de poluentes que prejudicam o meio ambiente. Realça diferentes iniciativas na área da tecnologia, na optimização da constituição dos combustíveis, na sensibilização na área comportamental de condução com fim a reduzir os consumos e emissões. O conceito de mobilidade sustentável também é abordado, bem como os factores que influenciam o aumento de consumos no sector dos automóveis que define a área de acção nesta temática. No capítulo 2 apresenta-se o estado de arte, que é uma etapa de extrema importância no desenvolvimento de um projecto de investigação, na qual pretende-se, por um lado, evitar repetir esquemas experimentais já testados anteriormente, por outro, extrair ideias que pudessem servir de ponto de partida para novos desenvolvimentos. Esta secção dividiu-se em duas partes. A primeira parte focou-se na área de monitorização, nomeadamente, em esquemas experimentais que possibilitassem monitorizações em estrada e em tempo real. A segunda parte realçou trabalhos desenvolvidos na análise do comportamento de condução, de forma a levantar um trabalho de pesquisa de métodos já desenvolvidos e propostas provadas. 2

11 No capítulo 3 aborda a estratégia de desenvolvimento adoptada nesta dissertação, em que explica todas as etapas percorridas e caminhos seguidos para a elaboração deste projecto, justificando as opções tomadas. Explicita também toda a logística seguida para obtenção dos resultados. Faz-se também um resumo do método de monitorização escolhido neste projecto. Apresentam-se as capacidades e limitações do aparelho CarChip, bem como do software de aquisição de dados associado ao equipamento. Descreve-se de seguida a metodologia de processamento de dados, desde o aparelho de monitorização aos resultados gerados. São apresentadas as etapas de aquisição de dados, desde o software CarChip, à recolha das viagens individualmente e processamento em MatLab de forma a serem utilizados construtivamente todos os segundos de monitorização efectuados em estrada e em tempo real. Descrevem-se também os veículos dos condutores participantes neste projecto, evidenciando as suas semelhanças e diferenças em termos de capacidades fornecidas pelos fabricantes das diferentes marcas envolvidas neste trabalho. Por fim estabelecem-se os critérios de avaliação do comportamento de condução. Estes baseiam-se nas regras de eco-condução [13]. Neste capítulo pretendeu-se explicar detalhadamente os indicadores numéricos criados a partir das boas práticas de eco-condução. Através desses critérios foi desenvolvido toda a parte de processamento de dados para gerar os resultados experimentais que distinguissem diferentes comportamentos de condução entre os diferentes condutores e a sua evolução individual antes e depois da formação em eco-condução. No capítulo 4 apresentam-se os resultados gerados a partir dos critérios definidos no capítulo anterior. Desenvolvem-se diferentes metodologias de validação dos resultados com o intuito de distinção dos diferentes condutores e atribuir-lhes diferentes conotações dentro dos perfis dinâmicos de condução que apresentam, que podem manifestar ser tendencialmente agressivos ou suaves. No capítulo 5 desenvolvem-se as conclusões retiradas de todo o desenvolvimento deste projecto. Realçando aspectos que podem ser desenvolvidos em trabalho futuro Enquadramento à Problemática A mobilidade das pessoas e bens é indispensável para o desenvolvimento de uma sociedade em termos culturais e de crescimento da economia. No entanto, arrasta alguns riscos: possibilidade de destruir o meio ambiente, baixas devido a acidentes rodoviários, congestionamentos, entre outros aspectos. O desafio está na investigação e desenvolvimento de soluções sustentáveis que cumprem as necessidades das populações sem comprometer a segurança das pessoas e do meio ambiente. O uso eficiente da energia proveniente de combustíveis fósseis e a protecção do meio ambiente desempenham importantes papéis no sector da mobilidade actualmente. Imensos esforços e desenvolvimentos tecnológicos têm sido postos em prática com o intuito da redução das emissões de poluentes provenientes do sector dos transportes. É esperado no futuro, quando cerca de 70% da população mundial se concentrar nas grandes cidades (Fonte: UN 2008, World Urbanisation Prospects The 2007 Revision [1]) maiores esforços serão necessários no sentido da redução das emissões do dióxido de carbono 1 entre outros poluentes, maior eficiência energética e reduções sonoras. É de realçar que a quantidade dos combustíveis de origem fóssil não é inesgotável e a sua qualidade é indispensável para o bom funcionamento dos motores de combustão interna. Muitos desenvolvimentos têm ocorrido também no sentido de encontrar soluções em sistemas de propulsão alternativos, como é o caso dos veículos eléctricos, híbridos entre outros. A figura 1 traduz as estimativas de evolução das emissões resultado desses desenvolvimentos. 1 Responsável directo pelo aquecimento global do planeta 3

12 Figura 1 Estimativas de redução de emissões. Fonte: [2] Mercado do Diesel O mercado do Diesel em veículos ligeiros de passageiros representa 53% na União Europeia. [3] Embora os motores diesel tenham um custo acrescido na sua produção, uma vez que são mais robustos, são mais eficientes comparativamente com os motores de explosão. Graças à sua maior eficiência os motores diesel apresentam menores emissões de CO 2, no entanto, estava vantagem colide com as elevadas emissões de óxidos de azoto, NO x e de partículas, PM. Os custos dos motores diesel na União Europeia são considerados relativamente baixos [3] comparados com os custos de aquisição de veículos movidos a gasolina. E os veículos equipados com motores diesel têm vindo a sofrer enormes evoluções em termos de aperfeiçoamento de rapidez de resposta mecânica, conforto, reduções de poluição sonora. Muito do aperfeiçoamento da rapidez de resposta mecânica diz respeito ao facto de serem turbo-alimentados e evoluções na injecção de combustível. 4

13 Emissões de Poluentes A figura 2 apresenta os valores limites que os veículos ligeiros de passageiros produzidos na União Europeia podem emitir de poluentes. Como é possível ser verificado a partir da norma Euro 2, os regulamentos na EU estabeleceram limites diferentes para motores diesel e motores de explosão. Os motores diesel apresentam limites mais restritivos relativamente às emissões de monóxidos de carbono, mas têm uma maior tolerância nas emissões dos óxidos de azoto. Na união europeia as emissões dos poluentes dos veículos são testadas quando estes efectuam o ciclo de condução NEDC 2, que entrou em vigor em 2000 (Norma Euro 3), que veio substituir o antigo ciclo, uma vez que este não incluía o arranque-a-frio dos motores, todos os veículos ficavam 40 segundos ligados a aquecer antes de efectuarem o teste. Tal facto é relevante na análise de emissões, por exemplo nos veículos equipados com catalisadores, estes não são eficazes enquanto não atingem a temperatura de funcionamento, logo os primeiro instantes durante o arranque, os veículos emitem mais poluentes. Se observarmos a figura 2 onde estão apresentados a quantidade máximos dos poluentes, houve uma tolerância superior no caso do CO dos veículos a gasolina, devido à introdução deste novo ciclo de condução. Figura 2 Normas europeias de emissões de VLP em g/km. Fonte: [3] 2 NEDC = ECE 15+EUDC designa New European Driving Cycle. 5

14 No caso dos Estados Unidos da América, a tabela de limites de emissões apresentam valores ligeiramente diferentes das normas Euro utilizadas na União Europeia. A figura 3 apresenta os limites das emissões regulamentados pelos EUA para veículos ligeiros de passageiros e veículos ligeiros de mercadoria. Neste caso o ciclo de condução que é utilizado nos testes de emissões já não é o NEDC, mas sim o FTP 75 e os valores apresentados na tabela são expressos em g/milha, devido ao sistema de métrica. Figura 3 Normas de emissões nos EUA em g/milha. Fonte: [3] 6

15 Combustíveis As figuras 4 e 5 traduzem a evolução dos preços dos combustíveis em Portugal. [4] Figura 4 Evolução dos preços do gasóleo rodoviário em Portugal. Fonte: [4] Figura 5 Evolução dos preços da gasolina em Portugal. Fonte: [4] 7

16 Tratado de Quioto O tratado de Quioto constitui um protocolo internacional com o compromisso da redução de emissões de gases com efeito de estufa. Na figura 6 apresentam-se os países que actualmente integram o protocolo de Quioto. [5] Figura 6 Mapa do Protocolo de Quioto em 2009; Legenda: Verde : Países que ratificaram o protocolo; Amarelo : Países que ratificaram, mas ainda não cumpriram o protocolo; Vermelho : Países que não ratificaram o protocolo; Cinzento : Países que não assumiram nenhuma posição no protocolo; Fonte [5] 1.4. Mobilidade Sustentável No sector dos transportes as emissões de gases de efeito de estufa são proporcionais ao consumo de combustível. A enorme dependência do petróleo como energia primária no sector dos transportes é preocupante. Previsões de estudos até 2050 levantam a questão da sustentabilidade do petróleo [6]. Os sistemas de propulsão maioritariamente utilizados no sector dos transportes são os motores de combustão interna 3, que no seu processo de transformação de energia química dos combustíveis em energia térmica, que posteriormente numa fase essencial do funcionamento dos motores, a expansão, essa energia é transformada em energia mecânica. Esse processo gera emissões de poluentes que são prejudiciais para o meio ambiente. Emissões de dióxido de carbono, CO 2, e poluentes como o monóxido de carbono, CO, monóxidos, NO x, hidrocarbonetos, HC, e partículas, PM. Os sistemas de transportes têm um importante impacto no meio ambiente, contribuindo com 20 a 25% da energia consumida [7] e emissões de dióxido de carbono. [8] O dióxido de carbono contribui no aquecimento global do planeta. A contribuição do sector dos transportes nos gases com efeito de estufa tem uma taxa de crescimento superior a qualquer outro sector [9]. Tendo em conta que as emissões de dióxido de carbono estão directamente relacionadas com a taxa de consumo de combustível, é necessário um plano de acção na redução dos consumos em todas as áreas energéticas. Neste trabalho foca-se nos reforços no sector de transportes. É então necessária uma mudança de mentalidade, reforços de motivação e de sensibilização no sentido da adopção do conceito de mobilidade sustentável. 3 Os motores de combustão interna são distinguidos quanto ao tipo de ignição em duas classes: motores de explosão e motores Diesel. 8

17 O sector dos transportes é o único que consome energia em circulação, ou seja em que a energia não é consumida num local fixo. Como tal, a energia para o sector dos transportes é dominada pelo petróleo, como já foi anteriormente dito, que é considerada uma energia ainda com bastante oferta, relativamente barata, da qual se produz combustíveis líquidos de elevada densidade energética tais como a gasolina e o diesel. No conceito de mobilidade sustentável, como está representado no esquema da figura 7, inclui uma ideia geral de planeamento de mobilidade que passa pela gestão de mobilidade das autarquias ou seja pela oferta de possibilidades de acessibilidade. Exige também uma análise de distância, tempo e custos associados, em que a decisão passa pela escolha de modos suaves (andar a pé ou de bicicleta), utilizar transportes colectivos, ou mesmo ser alternativo e ligar-se a uma rede de car pooling 4. Caso não haja uma solução melhor será necessário recorrer ao automóvel, mas pode-se sempre faze-lo da forma mais sustentável, i.e. na escolha do veículo mais eficiente mediante a sua utilização, o combustível também mais eficiente e na área comportamental, respeitar os hábitos de condução que produzem uma condução mais económica e ecológica. A escolha do combustível e do veículo está inerente na ideia de mobilidade sustentável. Ter em mente a oferta da cadeia energética e das suas consequências e benefícios. Tal como na escolha do veículo, existe cada vez mais uma maior motivação por parte do mercado automóvel de produzir modelos alternativos que sejam competitivos com os motores de combustão interna, é necessário que sejam mais eficientes por preços razoáveis; no comportamento de condução, esta é talvez o alvo mais simples para começar, uma vez que não implica mudança de veículo, nem investimentos, mas sim uma mudança de hábitos de condução. A área comportamental no nível de condução varia bastante e em geral na formação de novos condutores é necessário interessar os novos candidatos a condutores pelos hábitos de condução que mais benefícios traz em praticar uma condução mais económica e mais ecológica. 4 Car pooling é uma partilha de automóveis em comunidade, medida utilizada em diversos países como a Bélgica, os EUA entre outos. 9

18 Figura 7 Esquema representativo do conceito de Mobilidade Sustentável 1.5. Factores que Influenciam os Consumos A taxa de consumo de combustível é essencialmente influenciada por três aspectos: opção do veículo, manutenção do veículo e comportamento de condução como está representado esquematicamente na figura 8. 10

19 Figura 8 Esquema representativo dos factores que influenciam a taxa de consumo de combustível Especificações do veículo Na escolha do veículo existe actualmente um leque alargado de selecções possíveis no tipo de motorização disponível no mercado. Dentro das possibilidades os veículos equipados com motores de combustão interna (motores de explosão e motores diesel) continuam a liderar o mercado. No entanto, existem também veículos híbridos, que são equipados com um motor de combustão interna acoplado a um motor eléctrico, que principalmente em percursos tipicamente urbanos conseguem ser mais eficientes em termos de consumos do que os veículos equipados exclusivamente com um motor de combustão interna. A oferta dos veículos híbridos tem vindo a aumentar bastante e as principais marcas já têm modelos disponíveis. Existem também veículos 100% eléctricos, no entanto, estes apresentam uma autonomia bastante reduzida em comparação com os veículos acima mencionados. Outro dos problemas na posse de um veículo 100% eléctrico prende-se no facto do carregamento das baterias eléctricas não ser eficiente em termos de infra-estruturas (existem poucas actualmente no mundo inteiro) e de tempo, ou seja a duração de tempo para o carregamento das baterias é excessiva. Feita a selecção do veículo existem diversos factores a ter em conta que influenciam os consumos, tais como o design aerodinâmico, o peso, acessórios incluídos no veículo (traduzidos em pesos adicionais). Questões relacionadas com a manutenção dos pneus, com o estado de afinação do motor entre outras também têm bastante influência nos consumos. Peso e Dimensões do motor Veículos mais leves e menos potentes são os que apresentam menores taxas de consumo de combustível [10]. Actualmente os veículos têm vindo a verificar um aumento de peso, devido ao aumento de periféricos, tais como ar condicionado, GPS, airbags, entre outros dispositivos. O peso de um veículo 11

20 tem muita influência nos consumos. Logo o transporte desnecessário de carga acrescida verifica directamente um aumento significativo de consumos. Existem inclusive acessórios, que não só acrescentam peso, mas reduzem a aerodinâmica do veículo. Em termos de dimensões dos motores também se verificam que os motores de maior porte correspondem consumos superiores [10]. Estudos realizados provaram que reduções de 20% a 40% das dimensões dos motores correspondem 6 a 14% e 13 a 23% de redução de consumos respectivamente. [11] Naturalmente para reduzir as dimensões dos motores sem reduzir as capacidades de resposta de binário destes é necessário corrigir essa redução de tamanho com um aumento de pressão de admissão através de tecnologias turbo. Aerodinâmica A aerodinâmica de um veículo é um factor relevante nos consumos, em especial em alta velocidade. A instalação de barras no tejadilho, suportes para bicicletas ou outros acessórios provocam aumentos no atrito aerodinâmico criando mais uma resistência que o veículo tem de vencer, levando a aumentos significativos de consumos. Cadeia energética A escolha do combustível tem efeitos nos consumos, embora não muito significativos em comparação com outras optimizações que possam ser feitas no veículo. No entanto é também importante mencionar que as características químicas dos combustíveis têm diferentes efeitos na queima do mesmo, ou seja na optimização do processo de combustão e no processo de desgaste dos componentes do motor, uma vez que o combustível também tem funções de lubrificante dos componentes que constituem o motor. Logo a escolha do combustível pode ter influências na prestação do motor e implicar reduções de consumos e menores emissões de poluentes atmosféricos. Manutenção do veículo No que diz respeito à manutenção do veículo é essencial uma verificação periódica da pressão dos pneus, dos lubrificantes e da afinação do motor. A utilização de óleo gasto, a sujidade do filtro de ar e um motor mal afinado pode levar a aumentos visíveis de consumos. Um motor que funcione com óleo de lubrificação com baixa viscosidade também pode ser prejudicial para os consumos. Uma manutenção regular destes parâmetros pode levar a uma redução de 20% de consumos [12]. A pressão dos pneus é dos aspectos essenciais. A utilização de pneus com pressão adequada diminui o seu desgaste e o consumo de combustível. Adicionalmente, a utilização de pneus com menor atrito de rolamento pode conduzir a reduções de consumos na ordem dos 5%. [13] Tecnologias Adicionais Um dos mecanismos comuns nos automóveis actualmente que permitem reduções de consumos na ordem dos 17% (a mesma redução verifica-se nas emissões de CO 2 ) é o sistema de corte de injecção de combustível em situações de travagens ou desaceleração (situações em que o acelerador não está a ser actuado). [11] Outro mecanismo actualmente cada vez mais comum nos modelos de automóveis mais recentes é o sistema de Stop/Start, este consiste em desactivar o funcionamento do motor quando o veículo está imobilizado, por exemplo numa situação de paragem obrigatória num sinal luminoso. Desta forma é possível reduzir o gasto desnecessário de combustível em situações de ralenti. Este sistema não requer um motor eléctrico como é o caso das configurações dos veículos híbridos. No entanto, no caso dos motores de combustão interna necessita um motor de arranque mais robusto eficaz para activar o motor 12

21 após uma paragem. Este mecanismo adicional não implica nenhum aumento significativo no peso do veículo e pode conduzir a reduções de 15% nos consumos e nas emissões de CO 2. [11] As travagens regenerativas são também um mecanismo que permite a recaptura e armazena a energia cinética dispendida em desaceleração que caso não existisse, esta se dissipava sem qualquer utilização, em forma de calor essencialmente. Esta tecnologia implica um peso adicional nos veículos. Se o mecanismo apresentar um rendimento de 25% com um aumento de peso de 10% [11] devido às baterias, o que para um veículo ligeiro de passageiros implica que este sistema de travagens regenerativas não regista nenhuma redução de consumo de combustível, ou até um aumento de 3% [11]. Por outro lado se o sistema de travagens regenerativas apresentar um rendimento de 53% e um aumento de 5% de peso adicional, estudos observam reduções de consumos de 6% [11]. Em suma, este mecanismo pode ser benéfico mas tem de ser compensado com o aumento de peso no veículo que implica. Em termos de sistema de travagem, veículos dotados com este mecanismo de travagens regenerativas apresentam um ciclo de vida mais duradouro que os sistemas de travagem convencionais. Outra das tecnologias actualmente existentes que traz bastantes benefícios na economia de combustível é o Adaptive Cruise Control (ACC) existente nos modelos de automóveis mais recentes. O sistema ACC permite detectar a que distância se encontra o veículo da frente e a que velocidade circula, de forma a avisar o condutor quando deve proceder a uma aceleração ou a um desaceleração, de forma a ser possível efectuar estes procedimentos de forma mais suave [14]. Comportamento de Condução O comportamento de condução tem efeitos directos nos consumos [10]. A eco-condução define-se como uma forma de condução eficiente que permite reduzir o consumo de combustível e a emissão de gases com efeito de estufa e outros poluentes, contribuindo também para uma maior segurança rodoviária e um maior conforto dos ocupantes. [13] A eco-condução consiste na adopção de hábitos de condução que permitem tirar o maior partido dos veículos em termos de optimização de consumos (emissões de CO 2 ) e emissões de outros poluentes. Os benefícios da eco-condução são vários, nomeadamente: Redução do consumo médio de combustível; Redução de emissões de gases com efeito de estufa, nomeadamente o dióxido de carbono; Redução do desgaste do veículo; Redução de emissões de poluentes atmosféricos; Aumento da segurança rodoviária; Aumento do conforto a bordo; As reduções de consumos com a prática de eco-condução podem ir até 30%. [13]. No site da Eco-Condução Portugal [13] estão apresentadas as regras de boas práticas de condução, que são as seguintes: I. Conduzir por Antecipação Esta regra obriga a um treino da visão para uma melhor observação da envolvente. Uma condução por antecipação reduz o número de acelerações e travagens. Adicionalmente uma condução antecipada terá maior tempo de reacção, prevenindo situações de perigo, contribuindo desta forma para o aumento da segurança rodoviária. II. Acelerar e Desacelerar suavemente As acelerações têm um efeito directo nos consumos. Acelerações e travagens bruscas provocam o aumento dos consumos, maior desgaste mecânico e desconforto a bordo. 13

22 III. Evitar Situações ao Ralenti Um veículo ligeiro gasta aproximadamente um litro de combustível por hora ao ralenti. IV. Conduzir a Baixas Rotações Esta regra apela à condução com utilização de rotações do motor mais baixas. Para tal, a regra diz respeito a uma boa gestão de caixa de velocidades, ou seja usar preferencialmente mudanças elevadas. V. Nas Descidas e Travagens Manter uma Mudança Engrenada Esta regra diz respeito ao aproveitamento de situações de corte de injecção de combustível. Todos os veículos modernos são dotados desta tecnologia. Esta regra permite o aproveitamento da energia cinética do veículo para prolongar o seu movimento, com consumo nulo de combustível, basta manter o veículo engrenado, sem a actuação do acelerador. VI. Saber Analisar os Consumos Saber analisar os consumos permite uma percepção mais apurada das consequências que o comportamento de condução tem nos consumos. 2. Estado da Arte O progresso tecnológico em todas as áreas, nomeadamente na área de monitorização de veículos motorizados, nos sistemas de aquisição de dados, nos programas numéricos e simuladores tornou possível o desenvolvimento de vários projectos nesta área de estudo, e vários têm sido os estudos acerca de novas abordagens a esta problemática. Para determinar o ponto em que se encontra a investigação neste domínio, pesquisaram-se artigos publicados sobre trabalhos com o mesmo objectivo específico, mas também outros, que embora persigam objectivos distintos, tratam do processamento de dados obtidos de monitorizações ou de simulações numéricas, e integram elementos úteis no desenvolvimento do estudo descrito nesta dissertação. A pesquisa também incidiu em artigos que apresentam estudos sobre processamento estatístico. Para além do interesse em comparar os diferentes tipos de abordagem, o estudo destes artigos também se mostrou útil no trabalho descrito nesta dissertação, nomeadamente na implementação de métodos que possibilitassem a comparação de um grande número de observações de diferentes grupos. Foram analisados diversos estudos a que foi possível ter acesso, publicados nas últimas décadas. A secção 2.1 incide sobre os estudos que abordam esta problemática sob um ponto de vista de monitorização, seja esta realizada através de sistemas de medição em tempo real e em estrada, ou através de sensores remotos ou bancos de ensaios ou mesmo a partir de simuladores numéricos. Na secção 2.2 faz-se uma resenha do desenvolvimento na área do comportamento de condução e como este é avaliado e estudado, apresenta diferentes abordagens que têm vindo a ser expostas para a comunidade científica e as conclusões importantes que têm vindo a ser demonstradas nesta área. 14

23 2.1. Monitorização de Veículos A monitorização de veículos pode ser realizada através de diferentes métodos tais como bancos de ensaios, sensores remotos, sistemas de medição em tempo real e em estrada ou mesmo através de simuladores numéricos que pretendem simular situações semelhantes às ocorrências da realidade. Nesta secção faz-se uma breve referência a alguns destes estudos, enfatizando em cada um o objectivo a atingir a metodologia utilizada e as principais conclusões obtidas. (Chen et al,2003) [15] Em geral os motociclos não são tão afectados por situações de congestionamento como os automóveis. O estudo desenvolvido pelos autores pretendeu avaliar se os consumos e as emissões de motociclos diferem de regiões urbanas para regiões rurais. Pretendeu ainda avaliar as diferenças entre motociclos a quatro e a dois tempos em termos de emissões. Como primeira etapa os autores realizaram diversos testes de monitorização em circuitos urbanos e rurais de forma a obter ciclos de condução característicos. A monitorização foi realizada em estrada e em tempo real. Por fim a avaliar se as características de condução diferiam nos dois circuitos testados, urbano e rural, definiram variáveis de estudo, tais como a velocidade, aceleração, desaceleração, distância percorrida, intervalos de tempo em regime de velocidade constante, entre outras. Realizaram diversos Z-testes 5 e concluíram para um nível de significância de 0.01 nenhuma destas variáveis era estatisticamente significantemente diferente nos dois tipos de circuitos (p>0.01). Os autores concluíram que os ciclos de condução gerados eram bastante idênticos nas três cidades testadas. Verificaram que, os ciclos de condução em circuito urbano diferiam bastante do trajecto rural. No entanto, conseguiram apurar que em termos de emissões 6, estas não eram significativamente diferentes num caso para o outro, para um intervalo de confiança de 95%. Já o mesmo não verificaram para o consumo de combustível e emissões de CO 2, registaram uma diferença de 30%, superior no circuito urbano. Em termos de diferenças entre motociclos a quatro e a dois tempos, apuraram experimentalmente que os motores a dois tempos emitem mais HC e menos NO x em relação aos motores de motociclos a quatro tempos. Os autores acrescentaram, por comparação com outros estudos realizados na área, que poderá haver outras características que também exercem muita influência nos consumos e emissões que não foram contabilizados neste trabalho, tais como o comportamento de condução, condições de congestionamento, condições atmosféricas adversas e topografias mais complexas. (Song et al,2007) [16] Os autores tiveram como proposta de estudo analisar as emissões de poluentes numa zona de portagens. Como metodologia os autores beneficiaram de um sistema de monitorização em estrada e em tempo real, PEMS 7. Por comparação utilizaram a metodologia do VSP 8 para estimar as emissões. 5 Testes estatísticos, iguais a t-testes, mas standardizados; 6 Os poluentes tidos em conta pelos autores foram NO x, CO e HC; 7 PEMS sigla designada do inglês Portabela Emission Measurement System; 8 Vehicle Specific power 15

24 Concluíram que o intervalo de VSP crítico compreende-se entre [-2 2] para as emissões de poluentes que dizem respeito às desacelerações e acelerações bruscas de paragens obrigatórias estações de portagens. (Gonçalves et al,2005) [17] O trabalho desenvolvido pelos autores teve como objectivo efectuar monitorizações, em estrada e em tempo real dos consumos e das emissões em veículos ligeiros de passageiros equipados com motores de explosão. Na metodologia adoptada foram desenvolvidos diversos ensaios na área metropolitana de Lisboa e arredores. As variáveis monitorizadas foram o consumo instantâneo, as emissões de CO, NOx e HC, a topografia do percurso, a carga e a velocidade do motor. De forma a contornarem a questão da baixa repetição e da interacção natural de variáveis externas, típicas de monitorizações realizadas em estrada, foram realizados vários ensaios. Situações representativas de condução tais como: travagem e arranque (a duas distâncias diferentes), aceleração (0-70 km/h e 0-120km/h), desaceleração (70-0 km/h e km/h), variações de velocidade ( km/h e km/h), velocidade de cruzeiro (70 e 120 km/h). Em termos logísticos todos os detalhes foram tidos em conta, tais como a permanência do condutor, pré-definição de circuitos percorridos. O sistema de monitorização foi composto por diversos equipamentos, um analisador de gases, um sistema diagnóstico de bordo (OBD), um caudalímetro, entre outros. Os autores desenvolveram também um software específico, Frotlab, de comunicação com os diferentes equipamentos de monitorização e que perfez também a gravação dos dados recolhidos. O sistema de monitorização dos autores mostrou-se ser bastante eficiente em termos de monitorização realizada em estrada e em tempo real, mostrando-se ser uma alternativa mais realista, uma vez que engloba todas variáveis existentes no acto de condução, aos vários simuladores numéricos e ensaios em bancos de rolos. O modelo desenvolvido pelos autores possibilitou obterem resultados para as emissões em g/s, consumo de combustível em g/evento. (Araújo et al,2008) [18] O presente estudo teve como objectivo realçar a veracidade e qualidade dos resultados obtidos em monitorizações realizadas em estrada e em tempo real de emissões de NOx e consumos em veículos ligeiros de passageiros equipados com motores diesel. Para tal os autores realizaram diversos ensaios de monitorização com diferentes equipamentos tais como, caudalímetro, analisador de gases e um sistema diagnóstico de bordo, OBD. Parte integrante do objectivo a atingir pelos autores foi realizar uma comparação entre os resultados obtidos através dos diferentes equipamentos. Como logística operacional os autores efectuaram diversos ensaios num mesmo veículo num circuito pré-definido e analisado troço a troço. A metodologia VSP também foi, neste estudo, utilizada. Em termos de conclusões, os autores apuraram que o equipamento caudalímetro apresenta ser a melhor forma de monitorização. O analisador de gases, no entanto, verificou-se ser indispensável para monitorizar as emissões de NO x, apresentando resultados razoáveis em geral excepto em situações de corte de injecção. Em termos de consumos apurou-se que, estes verificam-se para classes de VSP elevadas, posições de caixa de velocidades baixas e manuseamento desapropriado do acelerador e do travão. Apurou-se experimentalmente que em situações de mudança engrenada e desactuação do acelerador ocorre situações de corte de injecção, apresentando valores de consumo nulo. 16

25 (Lambert et al,2005) [19] Os autores desenvolveram sistemas de monitorizações em estrada e em tempo real de veículos pesados de passageiros. Como logística, à semelhança de (Song et al,2007) [16], utilizaram o equipamento de monitorização PEMS. Concluíram que o sistema devolve bons resultados, o que reforçou a eficácia das monitorizações em estrada e em tempo real. (Daham et al,2005) [20] e [21] Foi por estes autores desenvolvida e aplicada uma nova técnica de monitorização em estrada e em tempo real de emissões de veículos e foi testada para avaliar se uma redução eficaz da velocidade no comportamento de condução conduzia a uma redução significativa de emissões. O sistema de monitorização utilizou um espectrómetro do tipo Fourier Transform Infra-Red (FTIR) portátil e com capacidade de medir até 51 compostos diferentes numa frequência aproximadamente de três segundos. O veículo testado foi um VLP equipado com um motor de explosão da classe EURO1. Outras variáveis, tais como a velocidade instantânea, a velocidade de rotação do motor, a posição global do veículo, a posição do acelerador, o coeficiente de excesso de ar, caudal de ar e o caudal de combustível foram também registadas, apresentando desta forma uma capacidade de monitorização muito completa. A validação experimental do equipamento FTIR foi em ensaios de um ciclo de condução real num banco de rolos. O sistema teve como aplicação prática um estudo sobre um conjunto de medidas estratégicas de planeamento urbanístico no âmbito da redução da velocidade com o intuito de aumentar a segurança rodoviária. Embora os resultados tenham revelado que o equipamento gera bons resultados para as emissões de NO x, CO 2 e CO, para as emissões de HC o modelo apresentou erros de 50%. A razão apontada pelos autores foi a limitada quantidade de HC em comparação com as restantes emissões. Foi, através deste sistema apurada uma redução significativa de emissões de poluentes resultado de uma redução de velocidade. No entanto, o estudo revelou que existem sistemas de redução de velocidade, que não favorecem a redução de emissões como é o caso das lombas. Os autores sugerem a utilização de radares como forma de controlar a velocidade. (Tong et al,2000) [22] O objectivo do estudo apresentado pelos autores baseou-se na monitorização de consumos e emissões em diferentes fases de condução para veículo ligeiros de passageiros. As monitorizações foram realizadas em estrada e em tempo real. Foi possível observar através deste estudo realizado, que modos transientes (aceleração e desaceleração) provocam aumentos significativos de consumos e emissões do que modos de velocidade constante (circulação em velocidade de cruzeiro e marcha lenta). Este trabalho teve ainda uma contribuição para a validação de monitorizações em estrada e em tempo real como um bom método de obtenção de resultados realistas, que contemplam todas as variáveis existentes no acto de condução. 17