REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7975180
Christian Slater Jurado Silva1
Lucas Constantino Silva2
Paula Kabuosis3
Victor Pereira Cerquetani4
Dr. André Luís Pelarin5
RESUMO
Este artigo científico coloca a atual situação que o mundo está passando como um momento chave para decidir o futuro da coisa que mais faz o mundo crescer e se evoluir, a MOBILIDADE. Será abordado se a eletrificação que vem ocorrendo será apenas uma fase transitória para outras formas de energia que estão se desenvolvendo para substituir os combustíveis de origem fóssil ou se a eletrificação é o futuro. Serão abordados diversos escritores e estudiosos de forma a obter informações claras e de ambos os posicionamentos e opiniões. Além disso, será demonstrado diversos gráficos e imagens referente a evolução que a mobilidade urbana sofre ao decorrer dos anos. Será abordado desde os veículos tracionados por animais até as tecnologias atuais que estão sendo desenvolvidas no ramo da mobilidade. O conceito mobilidade urbana é um conceito muito amplo e o futuro ainda não é algo certo e definido, diariamente novas tecnologias são descobertas e testadas e tudo isso é feito com um único objetivo: Buscar o meio mais ecologicamente correto, que tenha uma forma de obtenção não agressiva para o meio ambiente, que gere uma relação preço x autonomia interessante para o público em geral. Com essa evolução constante que o mundo vive, é necessário, às vezes, analisar os pontos fortes das tecnologias e produtos que já possuímos hoje antes de ir buscar novas tecnologias no mercado.
Palavras-chave: Eletrificação, Mobilidade, Mudança. Futuro, Energia, Evolução, Tecnologia, Sustentabilidade, Preço, Autonomia, Mercado.
ABSTRACT
This scientific article places the current situation that the world is going through as a key moment to decide the future of the thing that most makes the world grow and evolve, MOBILITY. It will be addressed whether the electrification that is taking place will only be a transitory phase for other forms of energy that are being developed to replace fossil fuels or if electrification is the future. Several writers and scholars will be approached in order to obtain clear information and both positions and opinions. In addition, several graphics and images will be demonstrated regarding the evolution that urban mobility has undergone over the years. It will be approached from vehicles drawn by animals to the current technologies that are being developed in the field of mobility. The concept of urban mobility is a very broad concept and the future is not yet certain and defined, new technologies are discovered and tested every day and all this is done with a single objective: to seek the most ecologically correct means, which has a way of obtaining not aggressive to the environment, which generates an interesting price x autonomy equation for the general public. Considering this constant evolution that the world is experiencing, it is necessary, sometimes, to analyze the strengths of the technologies and products that we already have today before seeking new technologies in the market.
Keywords: Electrification, Mobility, Change. Future, Energy, Evolution, Technology, Sustainability, Price, Autonomy, Market.
1. INTRODUÇÃO
Atualmente o problema da degradação ambiental devido às emissões de gases poluentes causados pelos gases de escape dos carros que utilizam motores de combustão interna têm atraído cada vez mais atenção. Esse tipo de gás é produzido com maior intensidade em grandes centros urbanos devido à maior densidade de veículos movidos a combustíveis fósseis. Outro fator que agrava essa situação é a possível falta de combustíveis fósseis no futuro devido ao fato de os combustíveis fósseis não serem renováveis e poderem se esgotar em um futuro próximo.
Para mitigar os efeitos da poluição e evitar uma possível falta futura de combustíveis de origem fóssil, foram desenvolvidos métodos alternativos a estes motores altamente poluentes. Este método alternativo consiste na aplicação de motores movidos a eletricidade. No entanto, veículos com motores exclusivamente elétricos possuem diversas características que dificultam a sua aplicação em larga escala tais como o preço elevado das baterias a pouca autonomia, baixa vida útil e demora no carregamento da mesma. Partindo desta ideia foram desenvolvidos motores híbridos que conseguem unir a melhor característica de ambos os motores (elétricos e de combustão interna) porém trouxeram também os pontos negativos como a poluição e o alto preço de manutenção.
O objetivo do presente artigo é expor, analisar e fornecer fatos referente a eletrificação dos veículos automotores em pleno século XXI, além disso será abordado a condição atual dos motores elétricos e quais perspectivas de desenvolvimento há no tocante a popularização da aplicação destes motores. Devido a isso, o artigo foi dividido em diversos capítulos onde será abordado diversos tópicos a estes temas conforme explicitado abaixo:
● História dos motores a combustão interna.
● Diferentes combustíveis aplicados nos motores de combustão interna.
● História dos motores elétricos.
● Vantagens dos motores a combustão interna.
● Desvantagens dos motores a combustão interna.
● Vantagens dos motores elétricos.
● Desvantagens dos motores elétricos.
● Custo de operação de um motor a combustão interna.
● Custo de operação de um motor elétrico.
● Custo de manutenção de um motor a combustão interna.
● Custo de manutenção de um motor elétrico.
● História dos motores Híbridos.
● Vantagens dos motores Híbridos.
● Desvantagens dos motores híbridos.
● Custo de operação dos motores híbridos.
● Custo de manutenção de um motor híbrido.
● Níveis de emissões de um motor a combustão interna.
● Níveis de emissões de um motor elétrico.
● Níveis de emissões de um motor híbrido.
● Próximos passos dos motores aplicados nos veículos automotores leves.
● Próximos passos dos motores aplicados nos veículos automotores pesados.
● Novas tecnologias
Após estudar todos os tópicos mencionados acima, na etapa de desenvolvimento será possível obter um posicionamento sólido sobre as diferentes vantagens de cada aplicação e assim concluir se os motores elétricos são realmente os motores do futuro ou se são apenas uma propulsão de transição.
2. DESENVOLVIMENTO TEÓRICO
I. História do Motor a combustão interna
Segundo BELLI, M (2013). O primeiro motor a combustão interna foi construído na Itália no ano de 1854 pelos engenheiros Eugenio Barsanti e Felice Matteucci. Esse motor utiliza a energia gerada a partir da expansão de gases liberada da combustão de uma mistura de ar e hidrogênio assim impulsionando um pistão que faz movimento linear ligado a um mecanismo de árvore de manivela para transformar esse movimento em movimento rotativo.
BELLI, M. (2013) continua e afirma que o alemão Samuel Marcus Siegfried, em 1870, inventou o Marcus 1, usando um motor 2 tempos em um carro transportador, para transporte de pequenas mercadorias, assim sendo o primeiro carro-transportador que utiliza petróleo como combustível.
O motor 2 tempos funciona em dois estágios:
– Primeiro estágio – o cilindro comprime a mistura no cilindro, depois tem a ignição fazendo com que a mistura entre em combustão.
– Segundo estágio – com a combustão o gás se expande empurrando o cilindro para baixo, em seguida se abre a janela de exaustão possibilitando a saída de gases.
Alguns anos depois, em 1883 Siegfried Samuel Marcus começou a trabalhar no projeto Marcus 2 com um sistema de ignição de baixa tensão e um sistema de carburação por passagens rotativas.
Ao mesmo tempo que Siegfried Samuel Marcus desenvolvia o Macus 2, Nikolaus August Otto desenvolvia um conceito de motores com ciclo de 4 tempos.
Conforme “CAR UP” (2017) cita em seu site, em 1878 o alemão Nikolaus August Otto Construiu o primeiro motor a combustão interna de 4 tempos, assim, determinando o ciclo no qual o motor de explosão trabalhava, esse motor ficou conhecido como motor ciclo Otto.
O motor 4 tempos funciona em quatro estágios:
– Primeiro estágio – o pistão desce e a válvula de admissão é aberta para a entrada do combustível
– Segundo estágio – a válvula de admissão fecha e o pistão sobe comprimindo a mistura
– Terceiro estágio – a vela produz uma faísca e faz com que a mistura entre em combustão
– Quarto estágio – com a explosão o pistão é empurrado para baixo gerando força e a válvula do escapamento abre para a saída dos gases
Na época o motor de Otto apresentava inúmeras vantagens comparando com o motor a vapor. Uma das principais vantagens era o tamanho, pois o motor a vapor precisava ter reservatório de água e combustível para esquentar a água. Outra vantagem era o consumo, mesmo utilizando benzeno o consumo de combustível era menor que o do motor a vapor e por fim a potência, a explosão do motor a combustão gerava uma força muito grande se comparada ao motor a vapor (GAVASSA,2017).
Comparação motor 2 tempos com motor 4 tempos:
Os motores 2 tempos são bem mais potentes em relação ao de 4 tempos, são mais leves e funcionam em qualquer posição.
Os motores 4 tempos tem um melhor ganho de potência por ter combustão nos intervalos de giro, são mais econômicos e não tão poluentes quanto os motores 2 tempos.
Em 1879 Karl Benz se baseia no ciclo Otto criou seu próprio motor de quatro tempos e em 1886 lançou o carro Benz Motorwagen, que foi o primeiro carro com motor de ciclo Otto a ser produzido para comércio.
O motor de Karl Bens de 1886 era mono cilíndrico de 954cm³ e tinha 0,67cv, podia atingir até 250 rpm. Ele também tinha um acumulador de energia cinética que dava estabilidade ao motor.
Segundo SAMAHA, F. (2012), por volta de 1890 René Panhard e Emile Levassor criaram o carro Type Q, com motor 4 cilindros em linha, o diferencial desse carro estava no formato do cabeçote que era em formato de “T”, fluxo cruzado de gases e tendo a admissão de gasolina por um lado do bloco e a saída de gases do lado oposto.
James Atkinson também trabalha em um modelo de motor com um novo tipo de ciclo chamado de ciclo Atkinson, a diferença desse ciclo é que o deslocamento do pistão na expansão ele se desloca mais do que na compressão, fazendo com que o motor exige menos força na compressão.
Pelo que o ciclo Atkinson demonstrasse melhor eficiência ele não gerava tanta potência quanto os motores com ciclo Otto, pois o combustível não era comprimido de forma adequada fazendo com que gerasse menos energia.
De acordo com SAMAHA, F. (2012), Daimler e Maybach em 1889 estavam desenvolvendo um motor a combustão com 2 cilindros independentes, funcionavam com um sistema de árvore de manivela, os cilindros eram separados por um ângulo e assim formavam uma forma em “V”.
A empresa Daimler Motoren Gesellschaft em 1894 fez o modelo de motor Phoenix, o primeiro motor de quatro cilindros em linha, nele havia carburador e escapamento com válvula de comando (SAMAHA, 2012).
Conforme TILLMANN, C (2013) menciona em sua apresentação, à partir de 1900 começaram novas tecnologias de motor 4 cilindros com comando de válvula de admissão no motor do Mercedes 35hp, as mudanças no motor fez com que fosse reconhecido como o primeiro motor eficiente com duas válvulas por cilindro acionadas por árvores de comando, são acionadas por engrenamento externo ao bloco e cada uma de um lado do bloco. Em 1906 o Mercedes modelo M14126 recebeu o primeiro motor 6 cilindros projetado por Maybach, esse carro recebeu o nome de Mercedes 120hp Rennwagen.
O Darracq 200hp foi um dos primeiros carros a terem um motor V8, esses motores eram construídos especificamente para carros de corrida. Mas em 1904 a empresa Marmom começou a utilizar esses motores de 8 cilindros em “V” em automóveis e no ano seguinte a Rolls-Royce lançou três carros com esse mesmo motor.
No ano de 1905 um novo recorde de velocidade foi batido, um Darracq 200hp atinge a marca de 175,4km/h, o carro tinha um motor V8 a 90° e 25400cm³, ele foi feito especialmente para a quebra do recorde de velocidade.
Em 1915 o americano Harry Miller fez uma melhoria no ciclo Otto, um motor de 6 cilindros usado na aeronáutica foi aplicado em carros. O ciclo patenteado por Miller trabalhava com um estágio misto e admissão dupla, tinha uma válvula aberta por mais tempo durante a admissão. O problema disso é que a pressão no cilindro aumentaria muito e faria com que o volume fosse de volta para o duto de admissão, para solucionar isso Miller colocou um sistema de superalimentação com um compressor mecânico (TILLMANN,2013).
Esse ciclo tinha a vantagem de ter o começo e o final de ciclo do motor com a mesma força porém com menos esforço, assim aumentando a eficiência energética.
A Fiat em 1912 fez o primeiro carro com motor de duplo comando no cabeçote e continham duas ou quatro válvulas por cilindro, ao mesmo tempo a Peugeot colocara uma câmara hemisférica de quatro válvulas por cilindro.
Ainda TILLMANN, C (2013), nessa época a temperatura dos motores era algo a se levar em consideração pois os métodos de resfriamentos utilizados não eram nem um pouco eficientes, a maioria dos carros eram resfriados a ar ou a algum sistema com água. Algum tempo depois Emile Delahaye criou um sistema de arrefecimento com circulação de água forçada, que fazia com que o motor não esquentasse tão rápido, assim podendo rodar por mais tempo.
Em 1936 o alemão Ferdinand Porsche junto da Mercedes desenvolveu o modelo type C que usava um motor V16 com compressor de dois estágios que tinha 527cv de potência, e os modelos W25A e W125, porém, ambos com 8 cilindros. Após alguns anos com o começo da segunda guerra mundial todas as tecnologias de motores foram voltadas para a aviação. Muitas inovações apareceram nessa época, como materiais mais leves e resistentes, combustíveis mais potentes e carburadores com mais eficiência.
Apenas em 1952 a Mercedes trouxe o modelo 300 SL, com um inovador sistema de injeção mecânica direta de combustível, que era uma tecnologia que existia apenas em caças.
Conforme RODRIGUEZ, H. (2017), durante a segunda guerra os motores tinham um sistema de injeção de água que servia para diminuir a temperatura do motor e o vapor gerado pela água aumentava a pressão interna do cilindro fazendo com que gerasse mais potência e sem risco de detonação.
Chegando nos dias atuais temos um mecanismo de comandos variáveis, onde, as válvulas de admissão e do escapamento variam para atrasar ou adiantar a abertura dependendo da necessidade. Essa tecnologia foi desenvolvida durante a segunda guerra mundial para serem usados em bombardeios, porém acabaram não sendo utilizadas.
Ele, RODRIGUEZ, H. (2017), ainda afirma que sua primeira aparição foi no final dos anos 60 com a Fiat em um sistema de viração articulado dos balancis de válvula. A General Motors em meados de 1975 patenteou esse sistema para poder ser utilizado em carros populares fazendo com que mantivessem a velocidade de fluxo admitido elevada, após algum tempo o projeto foi deixado de lado por ser muito complexo.
II. História do Motor Elétrico
Em 1890 a empresa Becker Eletric já havia lançado o primeiro automóvel elétrico da história e na mesma década Ferdinand Porsche já havia também apresentado o seu modelo Phaeton no qual foi um sucesso tremendo.
Ferdinand Porsche, que anos depois fundaria a empresa de mesmo nome, era fascinado pela eletricidade desde muito novo.
Já em 1893, quando tinha apenas 18 anos, instalou um sistema de iluminação elétrica na casa de seus pais. Depois de quatro anos, ele passou de mecânico para chefe do departamento de testes e começou a projetar diversos protótipos no que viria a ser o primeiro carro elétrico da Porsche.
Em 1898, Ferdinand Porsche projetou o Egger-Lohner C.2 Phaeton. O veículo era movido por um motor elétrico e alcançava uma velocidade máxima de 25 km/h.
Após o projeto do Phaeton, ele desenvolveu o motor elétrico do cubo de roda.
Em 1900, o primeiro veículo da Porsche com essa tecnologia foi apresentado no salão de Paris e alcançava uma velocidade máxima de 37 km/h.
Saindo da Porsche e em paralelo com estes acontecimentos, em 1899 o piloto francês chamado Camille Jenatzy construiu um veículo elétrico e ultrapassou a barreira dos 100 km/h.
Em 1915 a empresa Milburn car também apresentou um grande projeto nos Estados Unidos, juntamente com Henney Kilowatt lançou um veículo elétrico com a carroceria do antigo Dauphine que foi produzido pela Renault e que teve um sucesso muito grande.
Em 1965, no estado de São Paulo, cidade de Jundiaí, Maurício Lorensini apresentou um veículo elétrico com motor estacionário.
Os carros elétricos não são uma novidade, mas o que tivemos foi uma recente grande evolução das baterias e da infraestrutura para suportar tal mercado.
O cientista Hans Oersted em seus experimentos acabará descobrindo o princípio físico do motor elétrico usando a relação entre magnetismo e eletricidade. Esse experimento consistia em uma corrente elétrica passar por um fio condutor que estaria próximo a uma bússola com o ponteiro sendo um imã, assim, o ponteiro se alinhava perpendicularmente ao fio. “A experiência de Oersted foi importante porque abriu as portas para se entender que o campo eletromagnético pode gerar movimento” (HANS,1820)
Michael Faraday em 1822 demonstrará que campos magnéticos apresentavam comportamento circular, para comprovar isso Faraday fez um experimento com taças cheias de mercúrio interligadas por um fio condutor e usando ímãs para fechar o circuito assim fazendo com que o mercúrio girasse em volta do imã.
Alguns anos depois Faraday desenvolveu um gerador, usando um imã dentro de uma bobina, dessa forma as linhas de força da bobina acompanhavam a energia elétrica passando pelo imã, quando a bobina é colocada entre dois ímãs fixos ela aponta seu polo para o polo sul do ímã, porém, se invertemos a polaridade do ímã a corrente também inverte a direção dessa forma fazendo com que a bobina nunca pare de girar.
No final da década de 30 o físico Moritz Harmann van Jacobi instalou um motor movido a pilhas em uma lancha e assim conseguiu transportar 14 pessoas durante algumas horas, sendo essa a primeira vez que um motor elétrico foi usado para transporte humano. Como eram utilizadas baterias galvânicas elas tinham um grande problema, elas descarregavam muito rápido e eram extremamente caras.
Alguns cientistas também tentaram fazer seu nome nesse meio como, Zénobe Gramme que em 1869 fez um motor que tinha comportamento de gerador que quando ligado a uma corrente elétrica produzia energia motora, porém quando colocado já em alguma força motora conseguia gerar energia elétrica.
Em 1879, uma empresa criada, anos antes, por Siemens em conjunto com Johann George Halske para fabricar telégrafos, expandiu sua gama de produtos e, na feira industrial de Berlim, apresentou ao público a nova invenção aplicada: uma locomotiva movida por um motor elétrico de dois quilowatts.
O motor, apesar de mais barato que no início, continuava com o custo muito elevado para ser produzido em escala industrial, além de apresentar problemas de ordem técnica.
Em 1883 Nikola Tesla apresentou o primeiro gerador de corrente alternada, que tinham polos que podem se inverter por algum tipo de programação ou de forma manual. (HILTON,2016)
Algum tempo depois Tesla vendeu os direitos de patente das invenções a George Westinghouse, dono de uma companhia elétrica, assim, criando a Tesla Westinghouse que por sua vez em 1893, na feira Worlds Columbian Expositionem Chicago, fora convidada para instalar geradores elétricos nas cataratas do Niágara.
As alterações da amplitude de tensão em motores de indução trifásicos são atribuídas, geralmente, a transformadores e/ou cabos subdimensionados e ao baixo fator de potência.
Segundo a NBR 7094/1996 da ABNT, para que o motor elétrico opere com temperaturas e correntes dentro do permitido e torques de partida e de regime satisfatórios, faz-se necessário que a rede de alimentação opere com variações de tensões de no máximo mais ou menos 10% da tensão nominal (PROCEL, 1998b). Na tabela abaixo podemos ver a corrente necessária, rendimento e a potência de um motor de 7,5 cv.
III. Comparação dos motores a combustão interna e motores elétricos
Segundo VAN ESSEN, H.; KAMPMAN atualmente, a grande briga do mercado automobilístico está entre os carros com motores alimentados à combustão e os mais avançados motores elétricos, onde, com uma enorme diferença, vem cada dia mais evoluindo e mostrando seu enorme potencial para vencer essa disputa de espaço no mercado. A principal diferença entre eles é o modo como eles geram energia, onde o motor a combustão necessita de combustível como alimentação e os motores elétricos precisam apenas de energia.
Em poucas palavras, o motor a combustão gera energia a partir da mistura entre ar e combustível, onde entram em combustão a partir de uma faísca, que aciona um pistão, onde movimenta uma manivela que, então, faz funcionar o motor.
Baseando-se MOORHOUSE, J.; LAUFENBERG, o motor elétrico não possui qualquer queima ou combustão, ele funciona a partir de um conjunto de bobina onde trabalha com inversão de campos magnéticos, onde com atração, gera um movimento de rotação nessas bobinas e após esse movimento ele inverte o campo magnético, assim repelindo as mesmas bobinas e atraindo a próxima bobina, gerando assim um movimento de rotação e gerando trabalho.
3. CONCLUSÃO
Quando se iniciou os protótipos de carros elétricos, foi observado uma grande desvantagem em relação ao motor à combustão, os motores elétricos eram extremamente pesados e volumosos, tornando-o inviável, porém atualmente existem motores elétricos muito menores e mais leves, onde é possível carregá los com apenas as mãos, e ele possui a mesma potência de um motor 1.6 convencional.
Mesmo os motores elétricos atuais sendo bem menores que os motores à combustão, eles possuem bem mais torque, e isso já é uma grande vantagem na comparação entre eles.
Atualmente os motores a combustão ainda são os mais utilizados, porém podemos perceber que eles chegaram em um limite, onde não é possível avançar muito em questão de tecnologia. Em contrapartida, os motores elétricos ainda possuem um potencial gigantesco de melhorias e evoluções, podendo assim, em breve, dominar o mercado. E hoje podemos ver o início de uma grande evolução tecnológica, onde dispõe de muitas vantagens para todos.
4. REFERÊNCIAS
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SAMAHA, F. Técnica de Vanguarda. Best Cars Web Site. 2012. Disponivel em: < http://www1.uol.com.br/bestcars/ph2/379-panhard-dynamic1.htm>
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TILMANN, C. Motores de Combustão Interna e seus Sistemas. Pelotas – RS. 2013. Disponivel em: <http://estudio01.proj.ufsm.br/cadernos/ifsul/tecnico_biocombustivel/motores_c ombustao_interna_e_seus_sistemas.pdf>
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1RA: 52223407
2RA: 52116090
3RA: 312312863
4RA: 312110285