Torque e potencia x velocidade das hilux a diesel e gasolina

[Tarcis]

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Vou apresentar neste tópico uma simulação dos torques reais nas rodas de 2 picapes Hilux, a diesel e a gasolina, em função das velocidades dos veículos, com todo o embasamento teórico para que seja possível qualquer um reproduzir e contestar. Não tenho nenhum interesse particular nisso, é apenas informativo, como uma contribuição, e estou disposto a debates construtivos. Se houver interesse posso dar os links de todas as fontes de informação que consegui, todas na internet.

Uma das questões mais polêmicas quanto a desempenho de carros com diferentes motores é a questão de Torque x Potência. Resolvi fazer alguns cálculos e simulações para clarear o assunto (para mim também) e desmistificar certas outras polêmicas sobre desempenho de motores diesel e gasolina. Já postei em alguns tópicos deste fórum comentários sobre o desempenho de minha Hilux Gasolina 4x2 Automática 2010 na estrada, que não parecia nem um pouco com o que lia sobre a coitadinha em comentários de jornalistas e assemelhados, em vídeo e por escrito. Fiz isso mais para mim, e acabei comprovando exatamente o que vinha dizendo, por isso resolvi compartilhar. Existe mito neste assunto. O que vou apresentar à frente tem uma carga teórica bem simples, que só pude fazer depois de ralar muito para conseguir dados confiáveis (?) sobre os motores e câmbios, como curvas de torque e relações de transmissão, dados esses não revelados de forma completa pelas fábricas/montadoras. A Toyota fabrica diversos tipos de motores e câmbios para as Hilux/Tacoma, e foi realmente difícil conseguir isso. Vamos lá.

CONCEITOS INICIAIS

A potência de um motor é uma grandeza calculada, e não medida. O que pode ser medido é o torque (T) e a velocidade angular ou de rotação (R). Da física sabe-se que:

Trabalho é a energia dispensada para mover um corpo em uma distância S aplicando-se uma Força F. Potência (P) é a taxa de trabalho no tempo (t), ou seja, o trabalho dispensado por unidade de tempo.

Portanto:
P = (Trabalho / t ) = [(F . S) / t ] = (F . velocidade)

Se o corpo está em rotação, P = T . R

Portanto, temos que a potência de um motor pode ser calculada multiplicando-se o Torque medido no dinamômetro pela velocidade de rotação (R) medida no tacômetro. A fórmula usada com suas constantes pode ser:

P (HP) = [T(N.m) . R(rpm)] / (7095,2787) equação (1)

Se desconsiderarmos as perdas entre o motor e as rodas, pode-se dizer que a potência fornecida pelo motor é igual à potência nas rodas para movimentar o carro. Portanto,

Pmotor = Prodas equação (2)

Então, temos que Pm = Tm . Rm e Pr = Tr . Rr (r= rodas e m=motor)

Isso quer dizer que, como a velocidade de rotação das rodas é muito menor do que a velocidade de rotação do motor, então o torque nas rodas também é muito maior do que o torque fornecido pelo motor. Isso acontece por causa das engrenagens do câmbio, que aumentam o torque e diminuem a velocidade de rotação nas rodas.

Das equações (1) e (2),

=> Tm . Rm = Tr . Rr equação (3)

Sabe-se que a relação (Rm / Rr) advém das engrenagens do sistema de transmissão, ou seja, da multiplicação das relações de transmissão da engrenagem da marcha do câmbio utilizada em determinado instante pela relação do diferencial, e costuma ser sempre bem maior do que um. Como o motor gira mais rápido do que as rodas, temos que

Rm > Rr e Tr > Tm

Como o que move um carro com aceleração para frente é o torque nas rodas e não no motor, percebe-se que quanto maior a relação entre a velocidade de rotação do motor e das rodas, maior será o torque aplicado nas rodas, na mesma proporção da relação do câmbio, ou seja, câmbio mais longo menor torque nas rodas, câmbio mais curto maior torque nas rodas. Em outras palavras, qualquer carro que tenha câmbio mais longo do que outro vai precisar de mais torque no motor para manter o mesmo torque nas rodas. Isso pode ser observado claramente nos carros com motor diesel, que precisam de câmbio mais longo para manter a rotação baixa, como pede o ciclo diesel, ou seja, mesmo que um motor diesel turbinado tenha maior torque médio do que um motor a gasolina aspirado, isso não implica que os torques nas rodas serão maiores, vai depender das relações de transmissão do câmbio.

COMPARATIVO

Vamos agora supor 2 camionetes. Da equação (3) anterior,

Tm₁ . Rm₁ = Tr₁ . Rr₁ (camionete 1)

Tm₂ . Rm₂ = Tr₂ . Rr₂ (camionete 2)

Supomos que as camionetes sejam iguais (mesmas dimensões, rodas, pneus). Se a velocidade das 2 camionetes for a mesma, então

Rr₁ = Rr₂ , e então

===> (Tm₁ . Rm₁) / Tr₁ = (Tm₂ . Rm₂) / Tr₂

===> Tr₂ / Tr₁ = (Tm₂ . Rm₂) / (Tm₁ . Rm₁)

Das equações (1) e (2)

===> Tr₂ / Tr₁ = Pm₂ / Pm₁ equação (4)

A equação (4) diz que, se a velocidade das camionetes é a mesma, a relação entre os torques nas rodas das 2 camionetes pode ser obtida da relação entre a POTÊNCIA DOS MOTORES das camionetes fornecidas no mesmo instante, ou seja, na mesma velocidade das camionetes. Em outras palavras, se as camionetes estão à mesma velocidade, só teriam a mesma aceleração se as potências dispensadas pelos 2 motores nesse instante for a mesma. O torque nos motores não precisa ser considerado, apenas a potência dos motores em determinado instante (isso não tem nada a ver com potência máxima do motor).

SIMULAÇÃO DINÂMICA

Isto posto, vamos agora comparar 2 camionetes Hilux iguais por fora, com câmbios e motores diferentes, uma a diesel e outra a gasolina. A alimentação com etanol não foi considerada por não existir curva de torque disponível. Para que a comparação fizesse sentido, foram comparadas as camionetes a diesel e gasolina com câmbio automático de 4 marchas (não existe câmbio automático de 5 marchas para a versão a gasolina) e com câmbio manual de 5 marchas (disponível em ambas as versões).

Simulação 1

Camionete 1: Hilux gasolina com câmbio automático de 4 marchas.


Motor: 2TR-FE, com pico de potência de 158hp@5200rpm e torque máximo de 25kgf.m@3800rpm

Relações de transmissão do câmbio: 1ª/2,804 ; 2ª/1,531 ; 3ª/1,000 ; 4ª/0,753 ; DIF/4,100

Peso: 1.745 kgf (fornecido pela Toyota para a SRV A/T Top 4x4)


Camionete 2: Hilux diesel com câmbio automático de 4 marchas.


Motor: 1KD-FTV, com pico de potência de 171hp@3600rpm e torque máximo de 35kgf.m@1400-3400rpm

Relações de transmissão do Câmbio: 1ª/2,804 ; 2ª/1,531 ; 3ª/1,000 ; 4ª/0,705 ; DIF/3,583

Peso: 1.960 kgf (fornecido pela Toyota para a SRV A/T 4x4)

As curvas de torque dos motores em dinamômetro estão abaixo (no anexo):



FIGURA 1




As curvas acima foram transformadas em curvas de potência (equação 1) e as rotações do motor foram transformadas em velocidade do carro. Isso pode ser feito sem saber as dimensões das rodas se for conhecido um único ponto de velocidade no velocímetro por rotação no conta-giro, para uma determinada marcha no câmbio.

Os resultados das curvas de Potência nas Rodas x Velocidade da camionete estão abaixo (no anexo):



FIGURA 2


O gráfico acima é descontínuo onde acontece a troca de marcha, sempre na potência máxima do motor. O torque nas rodas pode ser calculado da equação derivada das anteriores como

Tr = 726,27*(Pm / Rm)*Q

, onde Q = (Rm/Rr) ou da multiplicação da relação de transmissão da marcha correspondente pela relação do diferencial, sendo que Tr é dado em Kgf.m, Pm em HP, Rm em RPM.

O gráfico é (no anexo)



FIGURA 3



O torque nas rodas é o que produz a aceleração do veículo e é diretamente proporcional à força de empuxo dos pneus no asfalto, desde que não haja deslizamento. Portanto, o torque pode ser convertido em força nas rodas e esta em aceleração proporcional à massa do veículo. Temos então que

Aceleração do veículo = k1* k2 * (Tr / Massa do veículo)

A constante k1 depende do raio das rodas e a k2 é uma variável que depende da resistência do ar. Mas como as camionetes são iguais e estão à mesma velocidade, elas não serão consideradas aqui, uma vez que a análise é apenas comparativa. Pode-se então plotar um gráfico de aceleração corrigida pelo peso (massa) das camionetes. O gráfico está abaixo (no anexo).


FIGURA 4



O gráfico acima mostra que nas regiões de velocidade vermelhas a camionete diesel teria maior aceleração e nas regiões azuis a camionete a gasolina teria maior aceleração.

Simulação 2

Nesta segunda simulação as condições são alteradas do câmbio automático de 4 marchas para câmbio manual de 5 marchas nas duas camionetes. Os motores se mantêm os mesmos:

Camionete 1: Hilux gasolina com câmbio manual de 5 marchas.

Motor: 2TR-FE, com pico de potência de 158hp@5200rpm e torque máximo de 25kgf.m@3800rpm

Relações de transmissão do Câmbio: 1ª/2,804 ; 2ª/1,531 ; 3ª/1,000 ; 4ª/0,753 ; DIF/4,100

Peso: 1.675 kgf (fornecido pela Toyota para a STD M/T 4x4)

Camionete 2: Hilux diesel com câmbio manual de 5 marchas.

Motor: 1KD-FTV, com pico de potência de 171hp@3600rpm e torque máximo de 35kgf.m@1400-3400rpm

Relações de transmissão do Câmbio: 1ª/2,804 ; 2ª/1,531 ; 3ª/1,000 ; 4ª/0,705 ; DIF/3,583

Peso: 1.935 kgf (fornecido pela Toyota para a SRV M/T 4x4)

Os resultados das curvas usam as mesmas equações anteriores, com a diferença nos câmbios e pequenas diferenças nos pesos. As curvas análogas às anteriores estão abaixo (no anexo).


FIGURA 5



FIGURA 6



FIGURA 7




O gráfico acima mostra que nas regiões de velocidade vermelhas a camionete diesel teria maior aceleração e nas regiões azuis a camionete a gasolina teria maior aceleração.

COMENTÁRIOS

1 – É preciso cuidado ao interpretar as curvas. Não é possível inferir sobre o tempo que cada camionete levaria para atingir determinada velocidade nem o percurso total em um intervalo de tempo. Um gráfico assim exigiria equações bem complexas para produzir os gráficos e não revelariam muito em termos comparativos.

2 – Pode-se extrair das curvas que quando as duas camionetes estiverem emparelhadas e os dois motoristas pressionarem o acelerador no fundo, com a marcha mais eficiente no caso do câmbio manual, caso a velocidade dos veículos esteja dentro das faixas azuis a camionete com motor a gasolina sai na frente e se dentro das faixas vermelhas a camionete com motor a diesel sai na frente.

CONCLUSÕES

1 - Pode-se concluir que, de forma geral, o desempenho das duas camionetes é parecido, com vantagem para a Hilux a gasolina em velocidades mais altas e para a versão a diesel em velocidades mais baixas, mas em alguns trechos há uma inversão.

2 - A camionete diesel tem maior aceleração na primeira marcha com qualquer tipo de câmbio. Como a faixa de rotação útil do motor a gasolina é maior do que a do motor diesel, em rotações acima de 3500 rpm o motor a gasolina leva grande vantagem, uma vez que o motor diesel precisa de uma marcha mais longa e perde aceleração toda vez que isso acontece. Com o câmbio manual, a partir de 55km/h, a aceleração da camionete a gasolina seria sempre igual ou maior do que a da versão a diesel.

3 – O peso é uma variável importante a considerar, sendo a camionete diesel de 215 a 260 kg mais pesada, o que influi bastante nos resultados conforme os gráficos. Caso os pesos fossem iguais, as curvas de aceleração corrigida teriam a mesma forma das curvas de torque nas rodas. Essa diferença de peso é a mesma nas versões SW4 da Hilux, chegando a 2020 – 1770 = 250kg. Vê-se que o motor diesel precisa de 14% do seu torque para carregar o peso a mais de si mesmo nesses motores. O motor diesel é maior e precisa de mais acessórios.

4 – Cai por terra a afirmação de que o motor a gasolina das Hilux é fraco, como dizem alguns marqueteiros por aí. Isto é dito porque se olha apenas o valor do torque máximo do motor e não o torque nas rodas, que é o que interessa. Graças também à excelente curva de torque desse motor a gasolina, opinião corroborada por mecânicos mundo a fora. O motor a diesel também não fica atrás. Parabéns à Toyota pelos seus motores. Evidentemente, por causa do preço dos veículos a diesel serem maiores em geral, essas afirmações sobre o motor a gasolina nunca são contestadas pelas fábrica/montadoras e/ou revendedores. Só mesmo quem experimenta o carro é que fica sabendo.
Bom, paro por aqui. A minha contribuição foi mostrar o que aprendi nesta análise. Também que tem muita gente por aí que diz o que não sabe, ou sabe o que não diz. Em matéria de veículos, a propaganda é a alma do negócio, e nem tudo é o que realmente aparenta ser.

[Hilux_VV]

Amigo,

Post fantástico e muito esclarecedor!

Sou defensor deste motor! Em meus comentários no post "Hilux Flex" dei meu testemunho de minha duvida entre a Flex e a Diesel, que após um verdadeiro test drive seu desempenho era compatível com a Diesel!

Com certeza vão pensar que estou defendendo a 2.7 por ser um proprietário de uma mas reforço que fui para comprar uma a diesel e me encantei com o custo beneficio da versão flex.

Novamente meus parabéns por mais esta informação para ajudar aos que estão em duvida da motorização ideal para sua necessidade neste grande carro que é a Hilux!

[guilhermeabreu]

TARCIS

Muito boa a sua iniciativa , mas infelizmente a esta hora não consegui ler todo pois ficou extenso demais , mas serve e muito para consultas futuras .

Parabens pelo post .

Abração

[Tarcis]

Pessoal, peço desculpas pelo erro na informação sobre as relações de transmissão dos câmbios de 5 marchas. Os corretos são:

Simulação 2

Camionete 1: Hilux gasolina com câmbio manual de 5 marchas.

Motor: 2TR-FE, com pico de potência de 158hp@5200rpm e torque máximo de 25kgf.m@3800rpm

Relações de transmissão do Câmbio: 1ª/3,830 ; 2ª/2,062 ; 3ª/1,436 ; 4ª/1,000 ; 5ª/0,838 DIF/4,555

Camionete 2: Hilux diesel com câmbio manual de 5 marchas.

Motor: 1KD-FTV, com pico de potência de 171hp@3600rpm e torque máximo de 35kgf.m@1400-3400rpm

Relações de transmissão do Câmbio: 1ª/4,313 ; 2ª/2,330 ; 3ª/1,436 ; 4ª/1,000 ; 5ª/0,838 ; DIF/3,583

Os cálculos foram feitos com estes valores corretos.

Abs.

[Daniel.Shimomoto]

Isso você colocou bem. A Hilux flex está longe de ser fraca. Tem uma potencia boa, superior a de muitas caminhonetes diesel Euro III (Leia-se S-10, Nissan antiga Frontier e L-200 Sport/Outdoor

A grande coisa é que em motores de ciclo otto, os proprietários tem cisma, por conta do consumo e de achar "que vai estourar", exigir do motor até o seu pico de potencia máxima. Ai fica a grande diferença em relação ao diesel, que apresenta um pico de potencia em 3600 rpms e o alto torque é o indicativo de uma potencia disponível bastante elevada a partir de 1400rpms.

Mas sabendo tocar o ciclo otto corretamente, aproveitar o potencial do 2.7L VVTi não deve decepcionar.

Só acho que o incomodo do 2,7L deve ser o consumo. Fora isso...

Abracos

[Elton Santos]

Tarcis!
Parabens pela excelente materia esclarecedora. Realmente percebo que a pick up diesel tem mais força aparente em baixa rotação, mas a com motor gasolina a rotação sobe bem mais, conseguentemente mais flexibilidade de força.

SW4 V6 aut gasolina
D-20 motor maxion com over dive.

[Carter]

Muito bom o tópico, impressiona o desempenho da hilux a gasolina, já dava pra ter uma ideia basiando-se nas descrições que a gente encontra no tópico da hilux flex. Seria mais interessante se a comparação fosse com a hilux diesel com cambio de 5 marchas, pois essa é a única possibilidade pra quem vai comprar uma hilux diesel nova e ela, obviamente, tem a relação das marchas e dos diferenciais diferentes da de 4 marchas. Relação de transmissão do câmbio: 1/3,520; 2/2,042; 3/1,400; 4/1,000 e 5/0,716. DIF 1/3,909.

[Tarcis]

Muito bom o tópico, impressiona o desempenho da hilux a gasolina, já dava pra ter uma ideia basiando-se nas descrições que a gente encontra no tópico da hilux flex. Seria mais interessante se a comparação fosse com a hilux diesel com cambio de 5 marchas, pois essa é a única possibilidade pra quem vai comprar uma hilux diesel nova e ela, obviamente, tem a relação das marchas e dos diferenciais diferentes da de 4 marchas. Relação de transmissão do câmbio: 1/3,520; 2/2,042; 3/1,400; 4/1,000 e 5/0,716. DIF 1/3,909.

Amigo, eu já tinha comentado sobre isso em post anterior logo acima (30/07). Mas parece que as relações são outras. Eu acho que o cambio que você colocou é a hilux diesel com motor de 102hp. O câmbio que usei é o que está acima, da hilux com 172cv.

[Carter]

Amigo, eu já tinha comentado sobre isso em post anterior logo acima (30/07). Mas parece que as relações são outras. Eu acho que o cambio que você colocou é a hilux diesel com motor de 102hp. O câmbio que usei é o que está acima, da hilux com 172cv.

Essas informações foram publicadas na edição 52 da revista Car and Driver, em um comparativo entre pickups. A materia era sobre pickups automáticas. É bom lembrar que a relação dos diferenciais da hilux 2006 a 2008 é diferente da relaçao dos modelos 2009 em diante, a partir de 2009 a Toyota aumentou o diametro do conjunto roda/pneus e modificou a relação dos diferenciais, a impressão que eu tenho é que a relação dos diferenciais que vc usou para hilux diesel era do modelo 2006. De toda forma, meu objetivo não é criticar, como eu disse o tópico é muito bom, tem muita informação, eu demorei um tempo para digerir tudo, e eu realmente tenho curiosidade de saber como seria a comparação entre a hilux de 5 marchas e a flex. Parabéns pela aula.

[Tarcis]

Essas informações foram publicadas na edição 52 da revista Car and Driver, em um comparativo entre pickups. A materia era sobre pickups automáticas. É bom lembrar que a relação dos diferenciais da hilux 2006 a 2008 é diferente da relaçao dos modelos 2009 em diante, a partir de 2009 a Toyota aumentou o diametro do conjunto roda/pneus e modificou a relação dos diferenciais, a impressão que eu tenho é que a relação dos diferenciais que vc usou para hilux diesel era do modelo 2006. De toda forma, meu objetivo não é criticar, como eu disse o tópico é muito bom, tem muita informação, eu demorei um tempo para digerir tudo, e eu realmente tenho curiosidade de saber como seria a comparação entre a hilux de 5 marchas e a flex. Parabéns pela aula.

Carter,

Desculpe a demora em responder, mas estava muito ocupado esses dias. Os câmbios com que fiz a comparação eram os de 5 marchas Manual, uma vez que o câmbio Automático da Hilux Flex é de 4 marchas. As relações estão corretas e atuais para os câmbios manuais. O câmbio que você colocou também está correto, mas é o automático. Fiz então a comparação que você sugeriu, superpondo os 3 carros, Flex MT5, Diesel MT5 e Diesel AT5. Inseri as figuras correspondentes que estão no texto do tópico e anexo aqui. Obrigado pela dica, devia ter feito isso antes.

abraço.

[Carter]

Carter,

Desculpe a demora em responder, mas estava muito ocupado esses dias. Os câmbios com que fiz a comparação eram os de 5 marchas Manual, uma vez que o câmbio Automático da Hilux Flex é de 4 marchas. As relações estão corretas e atuais para os câmbios manuais. O câmbio que você colocou também está correto, mas é o automático. Fiz então a comparação que você sugeriu, superpondo os 3 carros, Flex MT5, Diesel MT5 e Diesel AT5. Inseri as figuras correspondentes que estão no texto do tópico e anexo aqui. Obrigado pela dica, devia ter feito isso antes.

abraço.

Analisando os gráficos, tive a impressão que a hilux flex ficou em ligeira vantagem, mesmo a diesel tendo torque e potência máxima maiores, pra falar a verdade, eu esperava o contrário. Bom saber, quando comprei a minha, não fiz o teste drive na flex, já estava certo que o desempenho da flex seria pior. Pelo visto estava enganado. ABS.

[Elton Santos]

Olá Tarcis!
Quero agradecer pela excelente materia sobre motor diesel e gasolina, tenho uma a diesel e outra a grasolina e realmente
não vejo grande difierença entre as mesmas. como vc citou em baixa rotação a diesel e em alta veja que a gasolina tem um melhor desenpenho. mas a grande diferença está no silencio da a gasolina.
abraço.