carbono - conforme descrito na abnt nbr 7024 - AEA – Associação ...

AVALIAÇÃO DO MÉTODO DE CONSUMO DE COMBUSTÍVEL VIA BALANÇO DE
CARBONO - CONFORME DESCRITO NA ABNT NBR 7024 - E UMA NOVA
PROPOSTA
FUEL CONSUMPTION METHOD EVALUATION THROUGH CARBON BALANCE: AN
OVERVIEW OF ABNT NBR 7024 AND A NEW PROPOSAL
Rafael Gonçalves Monteiro 1 , Akira Luiz Nakamura 1 e José Roberto C. Machado 1
1 FPT Powertrain Technologies
E-mails: rafael.monteiro@br.fptpowertrain.com, akira.luiz@br.fptpowertrain.com,
jose.roberto@br.fptpowertrain.com
RESUMO
A preocupação com o meio ambiente e o uso racional e sustentável das fontes energéticas
torna-se cada vez mais relevante e freqüente nos debates em fóruns mundiais sobre
sustentabilidade, fazendo-se necessário mensurar o uso da energia. Seguindo as tendências
globais, o Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (Inmetro),
em parceria com o Programa Nacional de Racionalização do Uso dos Derivados do Petróleo e
do Gás Natural (Conpet) lançaram no dia 7 de novembro de 2008, o Programa Brasileiro de
Etiquetagem Veicular. O Programa consiste em classificar os veículos, de uma determinada
categoria, quanto ao seu consumo energético em cinco faixas de A a E. Tal consumo é
mensurado de acordo com a ABNT NBR 7024:2006 - Veículos rodoviários automotores leves
– Medição do Consumo de Combustível – Método de Ensaio. A fim de aprimorar a
metodologia de ensaio, apresenta-se um estudo pormenor do método de consumo de
combustível através do balanço de carbono, item 6.3 da norma, e uma nova proposta sobre a
interpretação da fórmula, desenvolvida sobre os fundamentos científicos do balanço de
massas atômico. Para corroborar o estudo, foram realizados ensaios com álcool etílico
hidratado e o respectivo consumo calculado conforme a fórmula vigente e conforme a
proposta. Os resultados foram satisfatórios e conclusivos indicando, portanto, para qual
vertente a metodologia de cálculo do consumo de combustível, via balanço de carbono,
deverá seguir.
Palavras-chave: Medição de consumo. Balanço de carbono. Programa Brasileiro de
Etiquetagem Veicular.
INTRODUÇÃO
Iniciativas a fim de melhorar a eficiência energética em veículo automotor vêm tomando
destaque no cenário mundial, principalmente devido ao fato deste item estar diretamente
ligado às emissões de dióxido de carbono (CO 2 ), um dos gases advindo de fontes

antropogênicas tido como principal responsável pelo aquecimento global. Os sistemas de
controle motor para controle de emissão não tem como objetivo principal reduzir as emissões
de CO 2 , dessa forma, somente a concepção de veículos mais econômicos permite a redução
das emissões de dióxido de carbono. Outras vantagens de veículos mais eficientes é a redução
da dependência dos combustíveis fósseis, economia de dinheiro para o consumidor e, em
conjunto com os bicombustíveis, aumentarem o uso sustentável da energia. Assim sendo, o
Inmetro e o Conpet seguindo as tendências globais lançaram no dia 7 de novembro de 2008, o
Programa Brasileiro de Etiquetagem Veicular com o objetivo de classificar os veículos, de
uma determinada categoria, quanto ao seu consumo energético em cinco faixas de A a E.
Portanto, o objetivo desse trabalho é analisar a interpretação do método para medição de
consumo de combustível através do balanço de carbono descrito no item 6.3 da norma ABNT
NBR 7024:2006 [1].
1. DEDUÇÃO TEÓRICA DO BALANÇO DE MASSAS ATÔMICO
A seguir é apresentada uma breve revisão conceitual sobre balanço de massas e a dedução do
balanço de massas atômico em um sistema motor.
1.1. Conceitos básicos de balanço de massas
O balanço de massas (ou material) de qualquer espécie é fundamentado na lei de
conservação da massa, que estabelece que a massa não pode ser criada nem destruída
(exceto nas reações nucleares). Balanços de massas são usados largamente em análises de
engenharia, por exemplo, para cálculos de reatores, análise de processos e, neste estudo,
cálculo do consumo de combustível a partir da análise dos gases de escape. Os balanços
de massas podem ser resumidos em três tipos básicos, conforme a seguir [2].
• Extensões de reação
Mais conveniente para problemas de equilíbrio químico e nas ocasiões em que é usado um
software para resolver as equações.
• Balanços de espécies moleculares
Requerem cálculos mais complexos e devem ser usados apenas para sistemas simples
envolvendo uma única reação.
• Balanços de espécies atômicas
Geralmente conduzem a soluções mais diretas, especialmente quando acontece mais de
uma reação química.
Conforme as definições acima, o melhor método para avaliarmos nosso problema é
através do balanço de massas atômico.
O balanço de uma quantidade conservada (massa total, massa de uma espécie particular,
energia, momento) em um sistema (unidade ou unidades de processo) pode ser escrito na
seguinte forma geral:
entrada + geração − saída − consumo =
(entra através
das fronteiras do
sistema)
(produzido
dentro
do sistema)
(sai através
das fronteiras do
sistema)
(consumido
dentro do
sistema)
acúmulo
(acumula-se
dentro do
sistema)
Figura 1. Balanço geral de uma quantidade qualquer conservada.

Considerando o sistema motor operando em processo contínuo (em estado transiente), o
balanço geral de uma quantidade qualquer se resume na seguinte forma:
entrada = saída
Figura 2. Balanço de uma quantidade conservada para um processo contínuo.
1.2. O balanço de massas atômico para um sistema motor
Podemos aproximar o modus operandi do motor em um ciclo de condução como um
processo contínuo operando em estado transiente. Dessa forma, o balanço de massas
atômico para o carbono é da forma mais simples, ou seja, a entrada é igual à saída. A
figura 3 exemplifica esse balanço na combustão interna.
VC
THC
mTHC
F
(l/km)
%Vgas
%VETOH
%VH2O = 1 – %Vgas - %VETOH
CO
mCO
CO2
mCO2
Entrada → Combustão → Saída
Figura 3. Volume de controle para o sistema motor durante o processo de combustão.
Na figura 3 seja F (em litros/km) a quantidade total de combustível utilizado em um
determinado espaço de tempo (ou uma distância percorrida), F é composto por gasolina A
e/ou etanol anidro e/ou água, e seja %V gas , %V ETOH e %V H2O a fração volumétrica
(%V/V) de cada componente na mistura total.
Ressalta-se que para a solução do balanço de carbono, considera-se o combustível como
uma mistura de três componentes, por exemplo, para uma mistura 50-50% V/V de
gasolina tipo C e AEHC, considera-se o combustível composto como uma mistura de três
componentes, conforme exibido na figura 4.

2,15%
58,85%
39,00%
Gasolina A
Etanol
Água
Figura 4. Fração volumétrica para uma mistura 50-50% V/V de uma mistura gasolina tipo C e
AEHC.
A parir desse ponto, se tem subsidio necessário para desenvolver o balanço de massas para
o referido volume de controle. Portanto, temos:
⎛ % Vgas
⎞ ⎛ % VETOH
⎞
⎜ F ⎟
⋅
100
⋅ d gas f gas + ⎜ F ⋅ ⎟ ⋅ d ETOH f
⎝ ⎠ ⎝ 100 ⎠
⎡%
Vgas
% VETOH
⎤
F ⋅ ⎢ d gas f gas + d ETOH f ETOH ⎥ = f
⎣ 100
100
⎦
0,8656 ⋅ mTHC
+ 0,4288 ⋅ mCO
+ 0,2729 ⋅ m
F =
% Vgas
100 ⋅ d gas f gas + % VETOH
100 ⋅ d ETOH f
Multiplicando e dividindo por 100km temos,
0,8656 ⋅ mTHC
+ 0,4288 ⋅ mCO
+ 0,2729 ⋅ m
F =
% V 100 ⋅ d 0,8656 + % V 100 ⋅d
gas
gas
Análise Dimensional :
ETOH
ETOH
gas
CO2
ETOH
l 100km
⎡ l ⎤
⋅ = 100 ⋅
km 100km
⎢100km⎥
⎣ ⎦
⋅ m
ETOH
⋅ m
2 ⎛100km
⎞
⋅ ⎜ ⎟
0,5214 ⎝100km
⎠
CO
=
f
gas
THC
⋅ m
+
f
THC
CO
+
f
CO
CO
+
⋅ m
f
CO
CO 2
+
⋅ m
f
CO 2
CO2
⋅ m
Eq. (1)
CO2
C = F ⋅100
sendo
[ F]
[ C]
f
i
l km
l 100km
m
m
[ d ] = g / L
i
=
=
=
C
i
Eq. (2)
em que
mC
é a massa molar do carbono,
mi
é a massa molar da substância i e
di
é a
massa específica da substância i.
Substituindo a equação 2 na equação 1, simplificamos a fórmula conforme a equação 3.

0,8656 ⋅ mTHC
+ 0,4288⋅
mCO
+ 0,2729 ⋅ mCO
2
C =
⋅100
Eq. (3)
% V 100 ⋅ d 0,8656 + % V 100 ⋅d
0,5214
gas
gas
ETOH
ETOH
2. PROPOSTA DO NOVO MÉTODO E RESULTADOS
A gasolina tipo A especificada pela Resolução ANP nº 6 de 24 de fevereiro de 2005
determina a faixa de massa específica desse combustível a 20ºC entre 719,5 a 757,9 kg/m 3 ,
conseqüentemente, o valor médio é igual a 738,7 kg/m 3 . A massa específica do etanol anidro
a 20ºC é igual a 789,4 kg/m 3 . Substituindo esses valores na equação 3, se obtém a equação 4,
sendo esta uma fórmula mais exata para o cálculo de combustível via o método de balanço de
carbono.
0,8656 ⋅ mTHC
+ 0,4288⋅
mCO
+ 0,2729 ⋅ mCO
C =
2
⋅100
Eq. (4)
6,3942 ⋅ % V + 4,1159 ⋅ % V
gas
ETOH
O método vigente, item 6.3 da NBR 7024:2006, é o apresentado na equação 5.
0,8656 ⋅ mTHC
+ 0,4288⋅
mCO
+ 0,2729 ⋅ mCO
2
C = ⋅ ( 100 + % VH
2O
)
Eq. (5)
% V ⋅ 6,4487 + % V ⋅ 4,1102
gas
ETOH
A diferença básica entre o método atual e o método proposto está no termo % VH
2 O , no qual é
desnecessário. Outra mudança foi a adequação das constantes 6,4487 e 4,1102 para 6,3942 e
4,1159, respectivamente, visando aproximar a realidade da equação ao combustível brasileiro.
Apesar da equação 4 ser desenvolvida sob os fundamentos físico-químicos, procede-se com
alguns testes para corroborar sua validade e melhor exatidão quanto utilizada em substituição
da equação 5.
A fim de intensificar o erro ocasionado ao se utilizar a equação 5 ao invés da equação 4,
fizeram-se seis testes com uma mistura de AEAC e água deionizada, aproximadamente,
85ºGL. (%V/V) e mais oito testes com AEHC, totalizando quatorze ensaios realizados no
ciclo de condução FTP-75. O consumo de combustível foi medido simultaneamente via o
método balanço de carbono, via o método volumétrico e via o método gravimétrico, ambos
normatizados pela NBR 7024:2006, e pela proposta (equação 4). Os resultados estão
sumarizados nas figura 5 e 6.
Ao analisar as figuras 5 e 6, podemos inferir que o método BC (item 6.3 da NBR 7024:2006)
apresenta um padrão de comportamento diferente dos demais, portanto, pode-se testar a
hipótese se pelo menos uma das médias desses dados é diferente. Assim sendo, seja o
seguinte teste de hipóteses [3]:
H 0 : μ BC = μ Grav = μ Vol = μ BCFPT
H 1 : Pelo menos um caso contrário
em que μ é a média dos ensaios calculados conforme a NBR 7024:2006 e a equação 4 deste
trabalho.
Para o combustível de teste álcool 85°GL., tem-se o seguinte resultado:

One-way ANOVA: Consumo versus Método
Source DF SS MS F P
Metodo 3 3,93780 1,31260 172,99 0,000
Error 20 0,15176 0,00759
Total 23 4,08955
S = 0,08711 R-Sq = 96,29% R-Sq(adj) = 95,73
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev ------+---------+---------+---------+---
BC 6 6,4913 0,0970 (-*--)
BCFPT 6 7,4902 0,0836 (--*-)
Grav 6 7,3665 0,0572 (--*-)
Vol 6 7,4063 0,1033 (--*-)
------+---------+---------+---------+---
6,60 6,90 7,20 7,50
Pooled StDev = 0,0871
Conclui-se que há uma forte evidência amostral para se rejeitar a hipótese nula, P-valor menor
que 0,0005, a um nível de 5% de significância, ou seja, pelo menos uma das médias é
diferente das demais.
7,75
7,50
Autonomia (km/L)
7,25
7,00
6,75
6,50
BC
BCFPT
Método
Grav
Vol
Combustível: Álcool 85°GL.
Figura 5. Diagrama de caixa para a autonomia em função do método de medição via balanço
de carbono (BC), gravimétrico (Grav), volumétrico (Vol) e balanço de carbono proposto
(BCFPT).
Para o combustível de teste AEHC, temos:
One-way ANOVA: Consumo versus Método
Source DF SS MS F P
Método 3 0,4674 0,1558 7,11 0,001
Error 28 0,6134 0,0219

Total 31 1,0808
S = 0,1480 R-Sq = 43,24% R-Sq(adj) = 37,16%
Individual 95% CIs For Mean Based on
Pooled StDev
Level N Mean StDev ------+---------+---------+---------+---
BC 8 7,3655 0,1445 (------*------)
BCFPT 8 7,7013 0,1510 (------*-------)
Grav 8 7,5463 0,1570 (------*------)
Vol 8 7,5888 0,1389 (------*------)
------+---------+---------+---------+---
7,35 7,50 7,65 7,80
Pooled StDev = 0,1480
Conclui-se que há uma forte evidência amostral para se rejeitar a hipótese nula, P-valor igual
a 0,001, a um nível de 5% de significância, ou seja, pelo menos uma das médias é diferente
das demais.
8,1
8,0
7,9
Autonomia (km/L)
7,8
7,7
7,6
7,5
7,4
7,3
7,2
BC
BCFPT
Método
Grav
Vol
Combustível: AEHC
Figura 6. Diagrama de caixa para a autonomia em função do método de medição via balanço
de carbono (BC), gravimétrico (Grav), volumétrico (Vol) e balanço de carbono proposto
(BCFPT).
Excluindo os dados de consumo calculados conforme o balanço de carbono (BC), item 6.3 da
NBR 7024:2006, e re-calculando as análises de variância não há mais evidência amostral para
se rejeitar a hipótese nula a um nível de 5% de significância, ou seja, os métodos para cálculo
de consumo serão equivalentes. Os valores P foram iguais a 0,059 para ensaio com
combustível álcool 85°GL. e 0,124 para ensaio com combustível AEHC.

Por conseguinte, o resultado de consumo mensurado via a equação 4 desse resumo apresenta
maior exatidão comparada ao resultado calculado via o balanço de carbono da NBR
7024:2006, destarte, sugere-se a adoção dessa nova equação em substituição da atual.
3. CONSIDERAÇÕES
É relevante ressaltar que o método de consumo de combustível via balanço de carbono é um
método de medição indireta i.e., a partir da análise dos gases de escape chega-se ao consumo
de combustível. Entretanto, devido à complexidade dos sistemas físicos estudados, algumas
aproximações são feitas para facilitar os cálculos, porém, sem perda de qualidade do
resultado. As aproximações basicamente são:
• Para o cálculo das massas de hidrocarbonetos (
m i ) calculadas conforme ABNT NBR
6601:2005 considera-se os gases de escape com comportamento dos gases ideais [4];
• Para a gasolina tipo A considera uma relação média de carbono/hidrogênio igual a 1:1,85;
• Considera-se uma densidade média da gasolina A a 20°C;
• A mistura de combustíveis é considerada como solução ideal i.e., não há contração nem
expansão de volume ao se misturar, por exemplo, AEHC com gasolina C;
• Outros gases não são considerados no cálculo, por exemplo, formaldeído e acetaldeído ou
qualquer outro produto da combustão que contenha carbono.
CONCLUSÃO
Os resultados obtidos indicam que é necessário substituir a metodologia vigente para o
cálculo de consumo de combustível via balanço de carbono pela proposta apresentada na
equação 4. Para desenvolver o balanço de massas atômico, fez-se uso de algumas
aproximações, entretanto, sem perda de qualidade nos resultados, fato esse demonstrado pelos
testes estatísticos no qual conduziram a falhar em rejeitar a hipótese de que as médias dos
resultados, obtidas através dos diferentes métodos de cálculo, sejam iguais. Os testes
estatísticos indicam que o balanço de carbono proposto, o método gravimétrico e o método
volumétrico são equivalentes, além desse fato, ambos os métodos apresentam variabilidades
semelhantes. Neste estudo considerou-se somente o uso do álcool como combustível, já que
era a parcela % VH
2 O que ocasionava o maior erro, em torno de 4% na autonomia de
combustível quando se utiliza AEHC, para a gasolina C esse termo é zero e as duas equações
(eq. 4 e eq. 5) praticamente se igualam com exceção das constantes atuais 6,4487 e 4,1102.
Enfim, a proposta de cálculo apresentada na equação 4 conduz a resultados mais exatos de
consumo de combustível em comparação com a atual fórmula do item 6.3 da NBR
7024:2006.
ABREVIAÇÕES
ºGL.
ABNT
AEAC
AEHC
ANOVA
ANP
Graus Gay Lussac «fração em volume»
Associação Brasileira de Normas Técnicas
Álcool etílico anidro combustível
Álcool etílico hidratado combustível
Analysis of variance
Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis

CO 2
Conpet
FTP-75
Gasolina A
Gasolina C
Inmetro
Dióxido de carbono
Programa Nacional de Racionalização do Uso dos Derivados do Petróleo e do
Gás Natural
US EPA Federal Test Protocol
Gasolina padrão sem adição de AEAC
Gasolina padrão com adição de (22±1)% em volume de AEAC
Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial
REFERÊNCIAS
[1] ABNT NBR 7024:2006 - Veículos rodoviários automotores leves – Medição do
consumo de combustível – Método de Ensaio.
[2] FELDER, Richard M.; ROUSSEAU, Ronald W. Elementary Principles of Chemical
Processes. John Wiley & Sons, Inc. 3 rd edition. 2000.
[3] MONTGOMERY, Douglas C.; RUNGER, George C. Applied Statistics and Probability
for Engineers. John Wiley & Sons, Inc. 2 nd edition. 1999.
[4] ABNT NBR 6601:2005 - Veículos rodoviários automotores leves - Determinação de
hidrocarbonetos, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio, dióxido de carbono e
material particulado no gás de escapamento.