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APLICAÇÃO DA AERODINÂMICA EM CAMINHÕES PARA
MELHORIA NA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
Elânio Campelo de Almeida¹, Jusciane da Costa e Silva²
¹ Graduando do curso Interdisciplinar em Ciência e Tecnologia, Universidade Federal Rural do Semiárido, Mossoró – Rio Grande do Norte. E-mail: elanio.campelo2525@gmail.com
² Professora da UFERSA. Universidade Federal Rural do Semiárido, Mossoró – Rio Grande do Norte. E-mail: jusciane@ufersa.edu.br
Resumo:
Com as novas políticas governamentais sobre eficiência e independência energética, aliado os elevados preços do combustível, a indústria automobilística vem buscando alternativas para suprir essas demandas. A otimização da aerodinâmica dos caminhões surgem como uma solução. Apesar de existir muitos estudos teóricos sobre ganhos energéticos quando aplicado conceitos aerodinâmicos, pouco tem sido aplicado. Um dos principais objetivos do estudo da aerodinâmica veicular é a redução do consumo de combustível, e isso é possível através de mudanças na estrutura física do caminhão, a partir do entendimento do escoamento do ar ao redor do veículo. Existem várias formas de calcular a influência do coeficiente de arrasto na eficiência energética do caminhão, túnel de vento e simulações computacionais são as mais utilizadas. As simulações computacionais possibilitam maior maleabilidade nas análises aerodinâmica do veículo. Esse trabalho é uma pesquisa bibliográfica sobre como a aplicação dos conceitos aerodinâmicos influencia na melhoria energética de um caminhão.
Palavras-chave:
Aerodinâmica; Caminhões; Coeficiente de arrasto; Consumo de combustível.
1. INTRODUÇÃO
No século XVIII quando surgiram os primeiros veículos que não dependiam da tração animal para se locomover, as suas carrocerias eram inspiradas nos formatos das carruagens da época, esses veículos eram muito lentos e as condições das estradas muito ruins. Após a primeira guerra mundial surgiram os primeiros modelos mais modernos com novas tecnologias, como: acionadores de partida elétricos, travas elétricas e motores de 6 cilindros. Segundo a revista PLANETA CAMINHÃO, o primeiro caminhão de carga da história (Figura 1), movido a motor de combustão interna, foi criado pelo Alemão Karl Benz, em 1895.
Figura 1 - Primeiro caminhão da história. Cultura Mix. UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO - UFERSA
CURSO INTERDISCIPLINAR EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA
No Brasil o primeiro caminhão fabricado foi da Mercedes Benz em 1956, com capacidade para 6 toneladas, o L-312 (Figura 2), mais conhecido como “torpedo” por conta do formato do motor, que lembrava um projétil. Entre os anos de 1970 e 1975 houve um grande salto no volume de cargas por rodovias no país o que sinalizou uma possível expansão na indústria de caminhões pesados.
Figura 2 - Primeiro caminhão fabricado no Brasil. VALECAP Pneus.
É importante ressaltar a relevância dos caminhões, que hoje representa cerca de 60% do transporte de carga no Brasil tem no desenvolvimento econômico e social, já que ele garante o devido abastecimento de estoques e entregas de produtos comprados a longas distâncias por conta de sua agilidade e eficiência. Por apresentar uma grande extensão na malha viária, já que o país tem dimensões continentais, o setor de transportes é responsável por 32,7% do consumo total de energia do pais e dessa porcentagem o óleo diesel representa 43,6%. O transporte rodoviário demonstra a maior parcela no consumo de diesel, dados da Empresa de Pesquisas Energéticas (EPE, 2012) mostraram que esse percentual chega a 85%, ou seja, o setor merece uma atenção especial.
Para Menkes (2004), considerando as novas políticas governamentais sobre eficiência e independência energética, aliado os elevados preços do combustível, um dos grandes desafios encontrado pelos fabricantes de caminhões e empresas de transporte e logística é uma solução para esses problemas. Outro ponto relevante é a emissão de poluentes, que quanto maior o gasto de combustível, maior a emissão.
O estudo dos conceitos da aerodinâmica e suas aplicações surgem como solução para essa problemática. Através de estudos teóricos que usam simulação numérica com túnel de vento e dinâmica de fluido para analisar conceitos básicos como coeficiente de arrasto, forças de sustentação, viscosidade, dentre muitos outros parâmetros com objetivo de obter melhorias no consumo do combustível e consequentemente na emissão de poluentes. Este trabalho fará um estudo bibliográfico sobre alguns estudos existente sobre essa temática e suas implicações.
2. METODOLOGIA
A metodologia usada nesse trabalho é baseada em pesquisas e análises da literatura que defendem a aplicação de conceitos aerodinâmicos, como coeficiente de arrasto (Cd), em caminhões em busca de menor consumo de
combustível, e consequentemente uma menor emissão de dióxido de carbono (CO2).
3. REFERÊNCIAL TEÓRICO
Para MUNSON (2004) a mecânica dos fluidos é a área da física que analisa o comportamento dos fluidos, sejam eles líquidos ou gases, estando em equilíbrio ou não. A ultilização de modelos simples da mecânica dos fluidos são capazes de responder questões interessantes como: “Qual é a econômia de combustível obtida
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escoamento laminar e o escoamento turbulento. O escoamento laminar se compota em camadas alinhadas, já o turbulento se comporta de forma com oscilações em torno de seu eixo.Segundo MUNSON (2004), Reynolds foi o primeiro a demonstrar que a combinação de algumas variáveis, como a velocidade característica do fluido, comprimento característico do fluido e algumas propriedades do fluido (massa especifica e a viscosidade), eram capazes de ser usadas como critério para distinguir esses tipos de escoamento. O coeficiente ou número de Reynolds é um número adimensional usado para calcular o tipo de escoamento de um fluido em uma superfície, dado por:
𝑹𝒆= 𝝆𝑽𝑳 𝝁 (1) Sendo: V é a velocidade característica (m/s); L é o comprimento característico (m);
𝝆 é a massa especifica do fluído (kg/m³);
𝝁 é o coeficiente de viscosidade dinâmica.
A Equação (1) é uma razão entre as forças de inércia (𝝆𝑽) de um fluido e os efeitos viscosos no corpo (𝝁/𝑳) e é bastante utilizada em projetos de tubulações e até mesmo nas asas de aviões.
Segundo VILANOVA (2010) a camada limite de um fluido é a região próxima a uma superfície sobre a qual o fluido escoa onde se manifestam os efeitos das forças viscosas do escoamento, como mostra a Figura 3. Portanto, é uma parte importante de se estudar em um escoamento sobre uma superfície sólida.
Figura 3 - Camada Limite em torno de uma esfera. VILANOVA, 2010.
3.1. AERODINÂMICA
Segundo MUNSON (2004) o estudo das forças de sustentação e arrastos em veículos de superfície (como carros, caminhões e bicicletas) é essencial na aerodinâmica, pois através desses conceitos será possível encontrar alternativas para diminuir o consumo de combustível, além de aumentar as características de mobilidade desses veículos.
As forças de sustentação e arrasto podem ser escritas, respectivamente, em função da tensão de cisalhamento na parede da interface fluido-corpo, causada pelos efeitos viscosos, e da tensão normal devido a pressão sofrida pelo corpo. A Figura 4 mostra um corpo imenso num fluido e consequentemente sofrendo uma pressão e uma tensão de cisalhamento causado pelo fluido.
Figura 4 - distribuição de pressão e cisalhamento sobre um corpo imerso. VILANOVA, 2010.
A componente resultante perpendicular ao vento relativo, entre o corpo e o fluido é a sustentação aerodinâmica (L). Essa força afeta, no caso de veículos automotores, na redução do atrito entre o pneu e o chão, podendo mudar drasticamente na direção do carro. O arrasto aerodinâmico (D) é a componente horizontal da força resultante da mesma relação supracitada. Essa força afeta grandemente no que se refere a performance do veículo, tanto na velocidade que o veículo atinge como no consumo que vai ser exigido do motor.
O arrasto aerodinâmico pode ser responsável por cerca de 50% do consumo de combustível de um veículo, dependendo de algumas variáveis como, por exemplo: modelo do veículo, clima, condições do asfalto de rodagem e entre outros (DEVESA e INDINGER, 2012). O arrasto aerodinâmico pode ser expresso como:
𝑫 =𝑪𝒅.𝑨.𝝆.𝑽²
𝟐 (2)
Sendo:
A é a projeção da área frontal do veículo;
𝝆 é a densidade do ar (ao nível do mar é igual a 1,2250 Kg/m³);
V é a velocidade do veículo; e
Cd é o coeficiente de arrasto.
Analisando a Equação (2) percebemos que a força aerodinâmica de arrasto tem relação diretamente proporcional ao quadrado da velocidade. Para Baker et. al. (2009) isso implica dizer que as perdas de energia, em veículos pesados, se comportam de forma exponencial com relação à velocidade, enquanto a resistência a rolamento se comporta de forma linear, como mostra a Figura 5.
A Figura 5 mostra um gráfico de resistência versus velocidade considerando o arrasto aerodinâmico (linha azul) e a resistência de rolamento (linha vermelha). A resistência de rolamento acontece devido à deformação do pneu à medida que rola sobre o asfalto. Esse tipo de resistência contribui para as perdas de energia e está relacionada com características do pneu, bem como, pressão de calibragem, alinhamento, carga e temperatura. No entanto, ações simples como calibragem correta dos pneus em cada eixo do caminhão diminui consideravelmente esse problema.
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Figura 5 - Relação velocidade e as resistências aerodinâmicas e de rolamento. Baker et. al. (2009).Apesar de existir vários fatores que contribuam nas perdas energéticas nos veículos pesados, como aponta UTG (2012) a Figura 6, as perdas mais relevantes acontecem pela resistência aerodinâmica, que surge como principal problemática, cerca de 54%, e devido à resistência de rolagem, aproximadamente 25%, mas como foi dito, pode ser melhorado com a calibração correta dos pneus e seu alinhamento e balanceamento. Portanto, comprovando que a resistência aerodinâmica é realmente um ponto importante a ser solucionado.
Figura 6 - Perdas de energia nos veículos pesados. UTG, 2012.
3.1.1. Coeficiente de arrasto (Cd)
Para HUCHO (1998) o coeficiente de arrasto é, geralmente, obtido através de estudos feitos em túneis de vento, em escala real ou escala reduzida, ou através dos métodos computacionais. Esse coeficiente é uma função da forma do veículo, ou seja, quanto mais aerodinâmico for o veículo menor será o seu Cd. O coeficiente de arrasto também
pode ser usado para quantificar a qualidade do fluxo de ar que escoa em torno do veículo. Segundo Plataform for Aerodynamic Road Transport - Part (2014) segue alguns coeficientes de arrasto para diferentes veículos (Figura 7), na qual observa-se que quanto menor o Cd, melhor a aerodinâmica do veículo. O coeficiente de arrasto de um
Figura 7 - Coeficiente de arrasto para diferentes tipos de veículos.PART, 2014.
3.2 TÚNEIS DE VENTO E DINÂMICA DOS FLUIDOS COMPUTACIONAIS (CFD)
Para medir a interferência que a força de arrasto causa no estudo aerodinâmico é importante conhecer o coeficiente de arrasto, porém, como já se foi supracitado, esse parâmetro não é de simples obtenção, então utiliza-se técnicas mais complexas para obter esutiliza-se valor. Algumas dessas técnicas utiliza-serão abordadas a utiliza-seguir.
Um túnel de vento (Figura 8), é uma ferramenta muito utilizada em estudos de aerodinâmica, já que possibilita simular um fluxo de ar com variáveis ajustáveis, como a velocidade, permitindo criar um ambiente muito próximo da realidade, além de ser possível se realizar uma avaliação qualitativa, pois é possível observar o escoamento. Para KATZ (1995), os túneis de vento são de fato a primeira ferramenta utilizada em um estudo na área da aerodinâmica veicular.
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obtenção desses dados. Para KATZ (1995) uma das grandes vantagens desses metódos é que ele pode ser realizado antes de se construir o veículo e fornecer informações sobre cargas aerodinâmicas, porém, dependendo do grau de complexidade o problema pode ter uma analise mais dificil tendo uma maior propensão a erros.
A maioria dos problemas que envolvem fluidos reais apresentam soluções muito complexas, por isso essas tecnologias são muito úteis, tanto para acelerar o processo de obtenção de dados como para validar valores encontrados nos testes em túneis de vento.
3.3 MÉTODOS DE REDUÇÃO DE ARRASTO
Segundo o site INOVAÇÃO TECNOLOGICA, os caminhões são responsáveis pelo consumo de 40% de todo petróleo no pais, reduzindo o coeficiente de arrasto conseguiremos uma economia no rendimento energético. Uma simples redução no coeficiente de arrasto pode causar uma economia de bilhões de litros no consumo anual desses veículos.
Quando se pensa em mudanças aerodinâmicas para ganhos de eficiência energética associam a alterações extravagantes, mas na verdade, é a somatória de pequenos detalhes que as vezes passam despercebidos, ou apenas como estética, mas são esses detalhes que podem fazer grande diferença. A figura 9 mostra a relação entre as alterações feitas no corpo do veículo por meio de ferramentas aerodinâmicas como, aerofólios, por exemplo, e a redução no coeficiente de arrasto.
Estudos relacionados as modificações na superfície de veículos pesados para uma redução de arrasto vem sendo explorados com maior frequência, uma dessas alterações é o arredondamento das superfícies laterais, deixando o carro com maior aerodinâmica para o fluxo de ar e a utilização de dispositivos capazes de orientar o fluxo da região frontal e traseira do veículo. Para GILHAUS (1981), ao estudar a influência do arredondamento das superfícies e da inclinação da área frontal do caminhão, obteve-se uma redução de 65% no arrasto, comparado ao modelo mais simples sugerido pelos pesquisadores. Para FOUX et. al. (1985), uma redução gradativa de 51% no arrasto pode ocasionar numa economia de até 12,5% no consumo do veículo.
Apesar das divergências nos resultados obtidos pelos autores, nota-se que essas mudanças influem diretamente no consumo de combustível.
Figura 9 - Redução do coeficiente de arrasto dos caminhões. HOLLANDA, 2011.
Observa-se que o modelo mais simples sem nenhuma alteração apresenta um Cd = 0.80 enquanto o caminhão
de uma nova geração apresenta um Cd = 0.45, ou seja, uma redução de quase 50% no coeficiente de arrasto, que
pode resultar numa economia relevante no consumo energético do caminhão.
Segundo a revista TRANSPORTE ECONÔMICO somente com o uso das saias laterais que é um acessório que suaviza a passagem de ar em torno das laterais no veículo minimizando a turbulência e o desperdício de combustível, o coeficiente de arrasto diminui em torno de 14 e 18%, gerando uma redução no consumo em torno de 10%. Esses dispositivos já estão disponíveis no mercado para o consumidor, já outras ferramentas ainda devem ser objeto de maiores estudos, que é o caso da calda (Figura 10), pois apresenta um fator limitante para as operações de carga de descarga dos caminhões.
Figura 10 – Calda. INOVAÇÃO TECNOLÓGICA.
3.4 CONSUMO DE COMBUSTÍVEL
O consumo médio de combustível de um automóvel é uma razão entre a distância percorrida e a quantidade de combustível que foi utilizada. A Figura 11 mostra a relação entre o preço do óleo diesel em relação ao período de janeiro de 2016 a março de 2018. Percebe-se que a partir de julho de 2017 essa curva vem crescendo exponencialmente, e atingiu seu valor máximo (até quando foram coletados os dados, em março de 2018) de quase R$ 3,40. Atualmente, Janeiro de 2020, o valor do diesel em Mossoró – RN é em média 3,70 reais/litro, um valor considerável, haja vista que os caminhoneiros percorrem grandes distâncias para atingir seu objetivo.
Figura 11 - Variação do preço do diesel ao longo do tempo. Guia do TRC.
Por meio de estudos, COOPER (2004) afirmou que um caminhão comercial de grande porte tem quilometragem média entre 130.000 km e 160.000 km/ano, ou seja, qualquer redução na resistência aerodinâmica causaria uma grande econômia no consumo de combustível e, consequentemente, na emissão de gases poluentes. Já segundo pesquisas conduzidas pela Confederação Nacional do Transporte (CNT) juntamente com o Serviço Social do Transporte (SEST), apontam que no Brasil essa média de distância percorrida por caminhões pesados (Figura 12), entre autônomos e empresas de frota, chega a 10.482 km percorridos por mês
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Figura 12 - Distância Média Percorrida pelos Caminhões em Jul/2011. CNT et al. (2011).Segundo SCHOON (2007) em estudos nos EUA sobre economia energética em caminhões concluiu que se houver redução de apenas 1%, ou seja, 0,1 L a cada 100 km, no consumo de combustível, isso poderia resultar em uma economia de US$ 30 milhões/ano, justificando que por menor que seja a redução na resistência aerodinâmica do caminhão, pode ocasionar em uma grande economia.
4. CONSIDERAÇÕES FINAIS
O presente trabalho apresenta a influência das modificações aerodinâmicas em um caminhão com o intuito de verificar se haverá melhoras no consumo de combustível. Através do que já foi supracitado é notório que o estudo da aerodinâmica veicular é de grande relevância do ponto de vista tecnológico e econômico, tendo em vista os gastos relativos ao combustível e a constante oscilação do seu preço no mercado. Então faz-se necessário buscar novos métodos e estratégias tendo como resultado a minimização do consumo.
É perceptível que com o crescimento dos preços do combustível e a exigência dos consumidores por veículos cada vez mais modernos e econômicos as empresas se obrigam a procurarem novas estratégias. Logo, pode-se notar, com a leitura deste trabalho, que a aerodinâmica veicular tem grande importância na indústria automobilística, já que a diminuição do arrasto se mostrou com grande potencial de prover melhorias nesse consumo de combustível.
A indústria automobilística continua buscando evoluir principalmente no que se refere a redução de emissão de dióxido de carbono (CO2), que é um dos principais agravantes do efeito estufa, e a solução para esse problema
é diminuir o lançamento desses gases na atmosfera, e através do estudo feito pode-se ver que pequenas alterações na aerodinâmica do caminhão pode causar melhoras, no que se refere a consumo, que vão contribuir para essa necessidade.
Conclui-se, por tanto, que o setor do transporte de cargas apresenta um grande potencial para reduzir seu consumo energético, parte das tecnologias possíveis para isso já estão disponíveis no mercado e tem uma incorporação natural devido sua disponibilidade técnico econômica, outras necessitam de mais estudos e ações de políticas públicas que incentivem a indústria a alcançar o potencial máximo.
