[pt] Neste estudo, os esforços são concentrados em se buscar a redução das emissões em motores Diesel-gás. Assim, são apresentados resultados experimentais, obtidos em dinamômetro de bancada, das emissões e desempenho de um motor do ciclo Diesel (turbo alimentado e com intercooler), para operar, reversivelmente, como motor Diesel-gás ou Diesel original. Inicialmente, foram executados ensaios nas duas versões, Diesel e Diesel-gás; logo, os resultados respectivos foram comparados em termos de emissões e desempenho do motor. A seguir, na operação Diesel-gás, foi avaliado o método da restrição parcial do ar de admissão, a fim de produzir uma mistura efetivamente mais rica para a mesma quantidade do gás natural. Os resultados obtidos mostraram uma notável redução nas emissões de monóxido de carbono e hidrocarbonetos não queimados, para toda a faixa de operação avaliada. Por outro lado, as emissões de material particulado continuaram sendo ínfimas em altas taxas de substituição e os níveis de óxidos de nitrogênio apresentaram certo incremento em altas cargas do motor. Quanto ao rendimento térmico, verificam-se acréscimos quando é alcançado certo valor de taxa de substituição. Contudo, os resultados de emissões e rendimento térmico apresentam melhores resultados em baixas cargas do motor (abaixo de 50% da plena carga). Assim, além de reduzirem-se os níveis de certas emissões em altas cargas, verificou-se uma contribuição adicional do presente trabalho no que diz respeito à redução, de forma parcial, de um dos principais problemas envolvendo a combustão em motores Diesel-gás: a queima incompleta de misturas pobres em cargas baixas. / [en] The focus of this study is the reduction of emissions in Gas-Diesel engines. The experimental results of emissions and performance of a Diesel cycle engine (with turbo and intercooler), obtained by a dynamometer, are presented for operation as Gas-Diesel and as original Diesel engine. First, two kinds of operation were tested: Diesel and Gas-Diesel; then, the respective results of emissions and performance of the motor were compared. After, in Gas-Diesel operation, was evaluated the method of the partial restriction of the admission air, to produce a richer mixture with the same quantity of natural gas used before. The obtained results show a notable reduction of the emissions of carbon monoxide and unburned hydrocarbons for the whole range of evaluated operation. On the other hand, the particulate emissions had kept minims at high rates of substitution and the nitrogen oxides levels presented a bit of increase at high engine load. The thermal performance increases when is achieved a determinate substitution rate value. However, the emissions and thermal performance results have a better behavior at low engine loads (below 50% of the full load). Thus, beyond the levels of some emissions are reduced at high loads, in addition, a reduction was found, of partial form, from one of the main problems involving combustion in Gas-Diesel engines: the incomplete burning of poor mixtures in low loads.

[pt] Este trabalho avaliou o comportamento de um motor do ciclo Diesel, operando no modo original (Diesel puro) e no modo bicombustível (Diesel / etanol), em dois modos de hidratação do álcool (70 e 93 graus INPM). A rotação foi mantida fixa em 1800 rpm. A finalidade foi estudar os parâmetros de desempenho do motor e analisar a liberação de calor pela combustão, como também, o calor trocado com as paredes. Avaliou-se como parâmetros de desempenho, o rendimento térmico, consumo específico de combustível e emissão de poluentes. A fase inicial do trabalho constou de ensaios experimentais realizados no conjunto motor / dinamômetro nos modos mencionados acima. O objetivo foi coletar a variação de pressão no interior do cilindro, consumo de combustível, emissão de gases, temperaturas em pontos estratégicos, entre outros. Em uma segunda etapa foi realizada uma análise dos parâmetros de desempenho e da liberação de calor. Para emissões de poluentes, observou-se uma diminuição de MP em altas taxas de substituição. No entanto, notou-se um aumento elevado de HC. Em baixas cargas e taxas de substituição elevadas houve redução de emissão de NOx. O rendimento térmico apresentou comportamentos similares em 70 e 93 graus INPM. Em altas cargas e altas taxas de substituição houve um sensível aumento do rendimento quando comparado ao modo original. O rendimento foi menor para baixas cargas com altas taxas de substituição, em relação ao modo original. O início da combustão no modo bicombustível foi antecipado em relação ao modo original, nas condições de altas cargas e máximas taxas de substituição. Isto foi devido à liberação de calor que ocorreu mais cedo no modo bicombustível. Ressalta-se que, nas mesmas condições, houve a ocorrência de um maior calor trocado com as paredes do cilindro, em ambos os modos de hidratação (70 – 93 graus INPM), quando comparado ao modo original. / [en] This work aimed to evaluate a Diesel cycle engine operating in the original (only Diesel) and dual-fuel modes (Diesel / ethanol) in two levels of hydration of alcohol (70 and 93 degrees INPM). Speed was kept fixed at 1800 rpm. The purpose was to study the parameters of engine performance and analyze the heat release by combustion and heat exchanged to the cylinder’s walls. For parameters of performance, evaluation of thermal efficiency, specific fuel consumption and emissions were conducted. Initial activities consisted in trial tests on the engine / dynamometer in the two modes as mentioned above. The goal was to collect the variation of indicated cylinder pressure data, as well as fuel consumption, emissions and temperatures at strategic points. Secondly, performance parameters and heat release analysis was performed. For emissions, a decrease in PM was found at higher replacement rates; however, in the same condition a large increase in HC was obtained. At low loads and at higher replacement rates, NOx emissions were reduced. Thermal efficiency showed similar behavior at 70 and 93 degrees INPM. At high loads and at higher replacement rates a significant increase in thermal efficiency compared to the original mode and for low loads with higher replacement rates thermal efficiency was decreased. In high loads and at higher replacement rates conditions, the process of combustion occurred before in the dual fuel mode, due to earlier heat release compared to original mode (only Diesel). In the same conditions an increase of heat exchanged to the cylinder’s wall in both modes of hydration of alcohol (70 and 93 degrees INPM) compared to the original mode was obtained.

[pt] O objetivo deste trabalho é predizer e otimizar o desempenho de motores funcionando no modo bicombustível, diesel-gás natural, fazendo uso da inteligência artificial. Pretende-se determinar a taxa de substituição ótima do combustível original diesel pelo gás natural que minimize custos de operação (combustíveis) e emissões de poluentes, tais como: monóxido de carbono, CO, hidrocarbonetos, HC, e óxidos de nitrogênio, NOx, priorizando-se também a eficiência térmica. Os dados analisados foram obtidos de testes anteriormente realizados. O procedimento envolve treinamento, validação e teste (utilizando redes neurais). Com os dados analisados foram treinadas diferentes redes neurais 06 para a aprendizagem e predição, as quais vão prever mapas de novos valores baseando-se nos dados experimentais já apreendidos. Finalmente, e continuando com o processo de otimização (técnica de Algoritmos Genéticos), é determinada a melhor taxa de substituição de diesel-gás natural, com as menores taxas de emissões dentro dos mapas gerados. Os resultados indicam uma boa concordância entre os dados experimentais e os previstos pela rede neural. O processo de otimização utilizado determina os pontos de trabalho adequados para cada caso analisado. / [en] The purpose of this study is to predict and optimize the internal combustion engine performance using diesel-natural gas fuel using the artificial intelligence. The ultimate goal is to determine the optimal substitution rate of natural gas to minimize the costs of operation and pollutants emissions such as carbon monoxide CO, hydrocarbons HC and nitrogen oxides NOx, considering the values of efficiency. The analyzed data are obtained from tests performed earlier. The procedure involves training, validation and test (using neural networks). Once these data were analyzed with different trained neural networks for learning and prediction, which are maps of the predicted values based on experimental data have been seized. Finally, and continuing with the process of optimization (technique of Genetic Algorithms), is given the best substitution rate of and lower emissions in the maps generated. The results indicate a good agreement between data and neural network, the process of optimization using certain items of work appropriate for each case analyzed.

[pt] A adaptação de um simulador numérico para a simulação da operação bicombustível Diesel-gás em motores com ignição por compressão foi realizada. O código-fonte em questão foi desenvolvido ao longo dos últimos anos pelo IFP, e uma modificação ao modelo da auto-ignição nele contido foi concluída neste estudo. As diversas etapas necessárias para a adaptação são apresentadas. Considerações foram feitas em relação à literatura existente para o assunto, e as hipóteses realizadas foram verificadas numericamente sempre que possível. Uma equação que relaciona os números de octanas do Diesel e do gás natural com a qualidade da auto-ignição de sua combinação resultante é proposta. Foi construída uma extensa base de dados necessária ao funcionamento do modelo, contendo as taxas de reação em função dos parâmetros físicos da mistura. Por fim, foi feita uma análise qualitativa de simulações bicombustível para um motor Diesel. / [en] The adaptation of a numerical simulator for the dual fuel Diesel-gas combustion in compression ignition engines was accomplished. The referred source code has been developed for the past years by the IFP, and a modification of its auto-ignition model was concluded during this study. The various steps needed for this adaptation are presented. All hypotheses were numerically verified when possible. A relation between auto-ignition quality and the combination of the octane numbers of Diesel and natural gas is proposed. A comprehensive reaction rates database required by the model was constructed. Finally, a qualitative analysis of dual fuel simulations in a Diesel engine was conducted.

[pt] Neste trabalho, foi desenvolvida uma modificação do modelo para simulação de sprays Diesel com o método de PDF presumida e cinética química tabulada. Através do acoplamento entre a parte química e a parte turbulenta, avaliou-se os efeitos do spray com a metodologia flamelet. Onde o conceito flamelet trata a chama difusiva e transiente como um conjunto de chamas unidimensionais, utilizando o modelo de PDF presumida para a avaliação dos valores turbulentos. A validação do modelo foi realizada com dados experimentais do laboratório Sandia, em uma câmara a volume constante. A validação e a aplicação do modelo foram conduzidas em diferentes tipos de ensaios experimentais: avaliação e comparação para diferentes modelos de cinética química do n-heptano, validação do método para o modelo de turbulência K-epsilon na câmara de volume constante do Sandia para o n-heptano não reativo, validação e comparação do modelo para o spray reativo e aplicação de modelo para o estudo comprimento do ancoramento de chama e para o tempo de atraso de ignição do n-heptano para diferentes temperaturas ambientes. Em geral, a modelagem proposta tem demonstrado excelente capacidade de previsão para a combustão com spray Diesel numa vasta gama de aplicações e é um candidato altamente promissor para outras aplicações em motores Diesel. / [en] In this work, a modification of the model for the simulation of diesel sprays with the presumed PDF method and tabulated chemical kinetics was developed. Through the coupling between the chemical part and the turbulent part, the effects of the spray were evaluated for the flamelet methodology. Where the textit flamelet concept treats the diffusive and transient flame as a set of one-dimensional flames, using the presumed PDF model for the evaluation of turbulent values. The validation of the model was performed with experimental data from the Sandia laboratory, in a chamber at constant volume. The validation and application of the model were conducted in different types of experimental trials: evaluation and comparison for different chemical kinetics models of n-heptane, validation of the method for the turbulence model K-epsilon in the constant volume chamber of the Sandia for non-reactive n-heptane, validation and comparison of the model for the reactive spray and model application for the study of the flame anchoring length and for the ignition delay time of n-heptane at different ambient temperatures. In general, the proposed modeling has demonstrated excellent predictive capacity for diesel spray combustion in a wide range of applications and is a highly promising candidate for other applications in diesel engines.

[pt] Com a assinatura da Lei 11.097 de 13 de Janeiro de 2005, o Biodiesel fica introduzido na matriz energética brasileira. Até o fim de 2007, a mistura deste biocombustível ao diesel mineral, derivado do petróleo, é voluntária pelas distribuidoras de combustíveis. A partir de Janeiro de 2008, todo o óleo diesel será comercializado obrigatoriamente com 2% de Biodiesel misturado e, a partir de 2013 a mistura deverá conter 5% de Biodiesel. O mercado potencial de Biodiesel para esta meta de 2008 é de aproximadamente 800 mil toneladas anuais. Revela-se, portanto, um enorme esforço de todas as esferas interessadas neste mercado: instituições de ensino e pesquisa, agro-indústrias, indústrias ligadas ao setor energético, entre outras, com objetivo de se atingir a meta estipulada pela Lei. Como parte deste esforço, no presente trabalho foram levantados aspectos técnicos, econômicos, sociais e ambientais sobre a implementação do programa de implementação do Biodiesel na matriz energética brasileira, visando identificar os prós e contras da utilização deste biocombustível. Um modelo de análise termodinâmica de uma usina termelétrica foi desenvolvido para descrever o comportamento de motores ciclo diesel de grande porte operando com 4 tipos diferentes de Óleo Combustível e 5 tipos de Biodiesel. / [en] With the Federal Act number 11.097, from January 13, 2005, Biodiesel is introduced in the Brazilian energy matrix. To the end of 2007, a voluntary mixture of this fuel to mineral diesel oil can be prepared by fuel distributors. From January 2008, diesel oil will have to be commercialized with 2% of Biodiesel. This percentage is to be increased to 5% by 2013. The goal for 2008 means, approximately, 800 thousand ton of Biodiesel annually. All parts involved, universities, research institutes, agro business and energy industries, among others, have been putting a great deal of effort to meet the target set by Federal Government. The present work is a small contribution to this effort. Technical, economical, social and environmental aspects of the problem have been taking into account in the present study, in order to identify pros and cons of the utilization of Biodiesel. A simple thermodynamic model of a thermal-electric power plant was developed to predict the behavior of a large capacity diesel engine operating with conventional fuel (four different types of fuel oil) and with Biodiesel.

[pt] O objetivo desse trabalho é avaliar o potencial técnico- econômico nacional da autogeração de energia elétrica. O levantamento desse potencial é realizado a partir do desenvolvimento de uma metodologia determinística para os clientes de alta tensão da concessionária LIGHT no estado do Rio de Janeiro, extrapolando-a para a estimativa do potencial brasileiro, através dos dados de consumo nacional. A geração distribuída é analisada a partir do atual estado da arte da tecnologia disponível para motores alternativos de combustão interna, ciclos Diesel e Otto. Os motores alternativos possuem tecnologia amplamente difundida, alta escala de produção, alta eficiência e baixo custo de investimento de aquisição, principalmente quando comparado a outras tecnologias de geração elétrica de pequeno e médio porte. Dessa forma, optou-se pela tecnologia dos motores alternativos como o mais adequado para a autogeração. Os motores alternativos têm grande potencial para servir de base para expansão da geração distribuída nacional. São considerados como alternativas de fontes energéticas para a autogeração, o óleo diesel e o gás natural. Para a operação dos motores ciclo Diesel foi considerada, além da hipótese de funcionamento pelo modo tradicional a óleo diesel, sua operação com um kit de conversão para combustível dual. Este permite uma substituição do óleo diesel pelo gás natural em torno de 80 por cento. Já para os motores alternativos ciclo Otto foi apenas considerada a utilização do energético gás natural. A viabilidade econômica do investimento em centrais de geração distribuída, é obtida quando traçado um paralelo entre o atual custo da energia elétrica que é fornecida pela concessionária e o custo da aquisição e operação do sistema de autogeração. O cálculo de viabilidade será dado por uma ótica estritamente econômica. Considerando-se que a atratividade do empreendimento seja dada por uma taxa interna de retorno do investimento mínima de 15 por cento a.a para um horizonte de 15 anos, é estimado que a geração distribuída possa representar 2,6 por cento da energia elétrica gerada nacionalmente ou cerca de 7.173 GWh/ano, concentrada principalmente para geração de horário de ponta. Os geradores a diesel representam 44,6 por cento desse total, os geradores dieselgás 55,2 por cento e os geradores a gás cerca de 0,2 por cento. Isto significa um consumo diário de 2,2 MMm3 de gás natural e 2.800 m3 de óleo diesel. De uma maneira geral a autogeração não se viabiliza economicamente para geração fora de ponta, em virtude do baixo custo da energia elétrica neste período. Em função da penetração do gás natural no mercado nacional, é realizada uma análise de sensibilidade entre custo desse energético e o aumento do potencial de geração distribuída nacional. Conclui-se, que a queda do preço do gás natural pode aumentar ainda mais o potencial de geração distribuída baseado nos geradores diesel-gás, além de também viabilizar os geradores gás. Finalmente são abordados e analisados os impactos e benefícios trazidos pela geração distribuída ao sistema atual de geração e transmissão nacional. / [en] The objective of this work is to evaluate the technical- economic potential of electric energy self-generation in Brazil. A deterministic methodology will be built for market evaluation. It will be based on a developed model for high voltage customers from LIGHT, located in state of Rio de Janeiro and extrapolated to establish the national market. The extrapolation will be made through the national consumption data. The distributed generation is analyzed from the state of the art of reciprocating internal combustion engines, Diesel and Otto cycles. These engines have widespread technology, high efficiency and offer low acquisition cost when compared with other small and medium scale gensets technologies. In that way, they were chosen, to be the alternatives for the distributed generation. The reciprocating engines have great potential to support the expansion of the distributed generation in Brazil. Diesel oil and natural gas are considered as the fuel alternatives for the gensets. Besides the usual diesel oil, used as fuel for diesel engines, it was considered the mix between diesel oil and natural gas. The mix is handled with an auxiliary conversion kit. It allows diesel oil being substituted around 80% by natural gas. It was only considered natural gas fuel for the gas engines. The economic feasibility of the investment in distributed generation is achieved when a comparison is made between the current cost of the electric energy, which is supplied by the local utility company, and the cost of acquisition and operation of the self generation system. The feasibility will be given by a strict economic aspect. Considering the attractiveness for the enterprise, it is given by a minimum internal rate of return of 15 percent per year in a horizon of 15 years. It is estimated that the national distributed generation can represent 2.6 percent of all national electric generation or 7,173 GWh/year. Mainly for generation at peak hours. The diesel oil gensets represents 44.6 percent of that total, the diesel-gas gensets 55.2 percent and the gas gensets around 0.2 percent. Meaning a daily consumption of 2.2 MMm3 of natural gas and 2,800 m3 of oil diesel. Self generation isn`t economic feasible at off-peak hours, because the low tariff value. For the perspective of expansion of the natural gas net distribution in Brazil, a sensibility analysis was accomplished between the natural gas cost and increase of the national distributed generation market. It is concluded that if the natural gas cost less, the national distributed generation market would grow, based mainly in diesel-gas and gas gensets. Finally, the impacts and benefits brought by distributed generation in the current scenery of national generation and transmission systems were analyzed.

[pt] Este estudo foi realizado visando avaliar o desempenho de um grupo gerador na geração de energia elétrica nas áreas remotas do Brasil utilizando um combustível renovável, o óleo de dendê in natura. Foi investigado, em laboratório, o comportamento de um motogerador diesel, de 3 kVA ligado a um banco de carga composto por 16 lâmpadas de 150 kW. O desempenho do motor foi avaliado com a utilização do óleo de dendê, tendo como referência o desempenho do mesmo grupo gerador utilizando o óleo diesel. Devido à alta viscosidade do combustível escolhido, foi necessário um pré-aquecimento do mesmo para que esta propriedade fosse semelhante à do diesel. As emissões de poluentes do motor utilizando o óleo vegetal foram em média menores do que com o motor utilizando diesel. No entanto, o consumo específico de combustível do motor utilizando óleo de dendê foi maior que o consumo específico de combustível utilizando o óleo diesel. Além disso, a potência média gerada com o dendê foi a mesma que a potência média gerada com diesel. Isso indica que é possível uma substituição do óleo diesel pelo óleo de dendê in natura nas remotas localidades do país. / [en] This study was carried out aiming the performance assessment of a power generation set using a renewable fuel, the crude palm oil. It was investigated, in laboratory, the performance of a diesel generating set of 3 kVA, supplying power to a load composed of 16 light bulbs of 150kW. The performance of the engine was evaluated with the use of the crude palm oil, having as reference the performance of the same generating set using the diesel oil. Given the high viscosity of the chosen fuel, its preheating was necessary so that this property was similar to the diesel oil.The emissions of pollutants of the engine using the vegetal oil were less than that with the engine using diesel oil. However, the specific fuel consumption of the engine using crude palm oil was greater that the specific fuel consumption using the oil diesel. Moreover, the average power generated with palm oil was equal to the power generated with diesel oil. The performance of the engine was evaluated with the use of the palm oil, having as reference the performance of the same generating group using the diesel oil. The results indicate that it is possible to substitute the diesel oil by the renewable oil.

[pt] O trabalho tem como objetivo a conversão de um grupo gerador, originalmente Diesel, para operar no modo Diesel-Gás, onde estes dois combustíveis são administrados simultaneamente no motor. Para tal foi utilizado um grupo gerador de 120KW, com um motor Perkins 1006 TAG (turbo alimentado com intercooler). Medidas experimentais foram realizadas tanto no modo Diesel quanto no bicombustível Diesel-gás. Foram avaliados: desempenho e, principalmente, emissões de poluentes atmosféricos. A redução das emissões foi realizada mediante a restrição parcial do ar de combustão, regulada por uma válvula tipo borboleta, que funciona eletronicamente, posicionada na entrada do coletor de admissão. A relação Diesel-Gás foi também avaliada, onde o segundo combustível era administrado através de um sistema eletrônico de injeção de gás natural. Os resultados indicam que em cargas baixas as reduções de monóxido de carbono e hidrocarbonatos são significativas (50% de redução de HC e 20% de CO) com máximas taxas de substituição. O mesmo se observa em cargas intermediárias. Em cargas médias e baixas observa-se um leve aumento nas emissões de óxido nitroso. Pode-se observar uma melhora no rendimento global do grupo gerador com o aumento da carga e da taxa de substituição. De forma geral, conseguiu-se reduzir os níveis de emissões em altas cargas, principalmente de hidrocarbonetos e monóxido de carbono. / [en] The objective of this study is converting a generator, originally Diesel, to operate in a Diesel-Gas; two fuels are administered simultaneously to the motor. One diesel generator of 120KW model Perkins 1006 TAG (powered with turbo intercooler), running on the Diesel / natural gas dual fuel mode, was tested. Experimental measurements were performed in both the Diesel and dual fuel diesel-gas. Are evaluated performances and; especially air pollutant emissions. The emission reduction was carried out by partial restriction of the combustion air with the help of an electronic throttle valve, positioned before the intake manifold. The ratio Diesel-Gas was evaluated, where the second fuel (natural gas) was administered with one electronic injection of natural gas. The results indicate that at low loads the reductions in carbon monoxide and hydrocarbons are significant (50% reduction in HC and 20% CO) with maximum replacement rates. Something like is observed at intermediate loads. In medium and low loads there is a slight increase in emissions of nitrous oxides. One can observe a slight increase in overall yield of the generator with the increased workload and the replacement rate; in general it was possible to reduce emissions at high loads, especially in hydrocarbons and carbon monoxide.