Yes / The natural gas as an alternative fuel has economical and environmental benefits. Bi-fuel engines powered by gasoline and compressed natural gas (CNG) are an intermediate and alternative step to dedicated CNG engines. The conversion to bi-fuel CNG engine could be a short-term solution to air pollution problem in many developing countries. In this paper a mathematical model of a bi-fuel four-stroke spark ignition (SI) engine is presented for comparative studies and analysis. It is based on the two-zone combustion model, and it has the ability to simulate turbulent combustion. The model is capable of predicting the cylinder temperature and pressure, heat transfer, brake work , brake thermal and volumetric efficiency, brake torque, brake specific fuel consumption (BSFC), brake mean effective pressure (BMEP), concentration of CO2, brake specific CO (BSCO) and brake specific NOx (BSNOx). The effect of engine speed, equivalence ratio and performance parameters using gasoline and CNG fuels are analysed. The model has been validated by experimental data using the results obtained from a bi-fuel engine. The results show the capability of the model in terms of engine performance optimization and minimization of the emissions. The engine used in this study is a typical example of a modified bi-fuel engine conversion, which could benefit the researchers in the field.

A modelagem de motores a combustão interna deve grande parte de sua importância ao uso de unidades de controle eletrônicas que buscam gerenciar as funções do motor. De forma a fornecer melhor suporte para o projetista de controle, a modelagem oferece informações que servem de planta, sobre a qual estratégias de controle serão desenvolvidas. Nesta dissertação, procurou-se estudar e modelar cinco fenômenos: a admissão de ar e de combustível, a produção de energia efetiva através da combustão, a evolução térmica do motor e o comportamento dos gases no sistema de exaustão. Investigou-se também, em todos estes fenômenos, a influência do uso de composição variada gasolina/etanol. Na admissão de ar, buscou-se estudar como a abertura da válvula borboleta e a velocidade do motor influenciam no fluxo de ar admitido, ponderando esta grandeza através de um fator de correção denominado eficiência volumétrica. Na admissão de combustível, no caso modelada para motores com injeção indireta na porta, procurou-se explanar quantitativamente sobre os diversos aspectos que influenciam a evaporação do combustível. Na geração de energia útil, priorizou-se a análise de como as características do motor e da combustão afetam a produção de torque. Na evolução térmica do motor, examinaram-se os principais fluxos energéticos do motor e os aspectos que os influenciam. Ademais, foram executadas as validações dos modelos levantados para o motor EA 111 VHT 1.6l. Os resultados, com seus respectivos erros, podem ser encontrados neste trabalho. / The internal combustion engine modeling owes big part of its importance to the use of electronic control units that aim to manage the engine functions. To provide better support to the control designer, the modeling offers information that can compose the plant, on which control strategies will be developed. In this master thesis, it was sought to study and to model five phenomena: the air intake and the fuel admission, the effective energy production from the combustion, the engine thermic evolution and the gas behavior in the exhaust system. It was also considered how the influence of the gasoline/ethanol varied composition affects all these phenomena. In the air intake, it was studied how the butterfly valve opening and the engine speed influence the intake air flow, pondering this variable through a correction factor named volumetric efficiency. In the fuel admission, in the case of this study modelled for port-fuel injection engines, it was attempted to explain quantitatively the many aspects that influence the fuel evaporation. In the mechanical energy generation, it was prioritized the analysis about how the engine and combustion characteristics affect the torque production. In the engine thermic evolution, it was examined the major energy flows and the aspects that influence them. Also, the validations of the models raised for the EA 111 VHT 1.6l engine were executed. The results, with its respective errors, can be found in this work.

A modelagem de motores a combustão interna deve grande parte de sua importância ao uso de unidades de controle eletrônicas que buscam gerenciar as funções do motor. De forma a fornecer melhor suporte para o projetista de controle, a modelagem oferece informações que servem de planta, sobre a qual estratégias de controle serão desenvolvidas. Nesta dissertação, procurou-se estudar e modelar cinco fenômenos: a admissão de ar e de combustível, a produção de energia efetiva através da combustão, a evolução térmica do motor e o comportamento dos gases no sistema de exaustão. Investigou-se também, em todos estes fenômenos, a influência do uso de composição variada gasolina/etanol. Na admissão de ar, buscou-se estudar como a abertura da válvula borboleta e a velocidade do motor influenciam no fluxo de ar admitido, ponderando esta grandeza através de um fator de correção denominado eficiência volumétrica. Na admissão de combustível, no caso modelada para motores com injeção indireta na porta, procurou-se explanar quantitativamente sobre os diversos aspectos que influenciam a evaporação do combustível. Na geração de energia útil, priorizou-se a análise de como as características do motor e da combustão afetam a produção de torque. Na evolução térmica do motor, examinaram-se os principais fluxos energéticos do motor e os aspectos que os influenciam. Ademais, foram executadas as validações dos modelos levantados para o motor EA 111 VHT 1.6l. Os resultados, com seus respectivos erros, podem ser encontrados neste trabalho. / The internal combustion engine modeling owes big part of its importance to the use of electronic control units that aim to manage the engine functions. To provide better support to the control designer, the modeling offers information that can compose the plant, on which control strategies will be developed. In this master thesis, it was sought to study and to model five phenomena: the air intake and the fuel admission, the effective energy production from the combustion, the engine thermic evolution and the gas behavior in the exhaust system. It was also considered how the influence of the gasoline/ethanol varied composition affects all these phenomena. In the air intake, it was studied how the butterfly valve opening and the engine speed influence the intake air flow, pondering this variable through a correction factor named volumetric efficiency. In the fuel admission, in the case of this study modelled for port-fuel injection engines, it was attempted to explain quantitatively the many aspects that influence the fuel evaporation. In the mechanical energy generation, it was prioritized the analysis about how the engine and combustion characteristics affect the torque production. In the engine thermic evolution, it was examined the major energy flows and the aspects that influence them. Also, the validations of the models raised for the EA 111 VHT 1.6l engine were executed. The results, with its respective errors, can be found in this work.

A foreseeable shortage of petroleum, associated to a growing ecological conscience, demand for alternative sources of energy and more efficient and less pollutant combustion processes. Among the few pollutant fuels this work approaches the combination of natural gas, whose consumption has been increasing year to year, and diesel. It is known that the internal combustion engines convert energy with low efficiency. Based on that, this work evaluates a bi-fuel Diesel engine, power by Diesel and natural gas as means of improving its efficiency. In the engine used as a prototype, the main energy comes from the combustion of natural gas. Being the gas the main fuel, the Diesel is used only to generate the pilot explosion for the combustion process. In this way, the diesel oil is partially substituted by natural gas, increasing the combustion efficiency. Initially it was made a study on the use of the natural gas in Diesel engine through a bibliographical revision. Therefore after, they were certain the parameters that should be monitored to develop an appropriate controller. It was verified that should be appraised the engine rotation and the injection angle. The performance aimed for the action of the loop control should be the rotation of the engine. The more appropriate control techniques were investigated for the management of the natural gas injection. When analyzing the traditional techniques it observed that they present some disadvantages as the mathematical complexity, difficulties in adapt the motor to the everchanging conditions of the motor with time/temperature, limitations in the grade of controller performance and complications for practical implementation on the part of non-specialized operators. To optimize the volume of natural gas supplied to the engine an electronic manager was developed for injection of this fuel. This electronic controller is based on an adaptive fuzzy algorithm to regulate the rate of injection of fuel, which was implemented through a microcontroller. The electronic injection system controls the timing of fuel injection, so managing the volume of gas supplied to each injection cycle. The injection angle is also accurately monitored by the control system. This topology, with few alterations, can be used in any Diesel engine operating in the bifuel mode. Results of this dissertation should contribute to increase the efficiency of Diesel engine as well as reduce the consumption of fuel and emission of pollutants. / Uma previsível escassez de petróleo, aliada a uma crescente consciência ecológica, tem levado pesquisadores a procurar fontes alternativas de energia e processos de combustão mais eficientes e menos poluentes. Entre os combustíveis pouco poluentes este trabalho aborda o uso do gás natural, cujo consumo tem aumentado ano a ano. É sabido que os motores de combustão interna convertem energia com baixa eficiência. Com base nisto, este trabalho avalia um motor Diesel, bi-combustível, movido a Diesel e gás natural como forma de encontrar meios de melhorar sua eficiência. No motor usado como protótipo, nessa dissertação a energia origina-se da combustão do gás natural. Sendo o gás o combustível principal, o Diesel presta-se apenas à geração da chama piloto para o processo de combustão. Assim, substitui-se parcialmente o óleo Diesel por gás natural, aumentando o rendimento da combustão. Inicialmente procurou-se estudar o uso do gás natural em motores Diesel através de uma revisão bibliográfica. Em seguida, determinaram-se quais os parâmetros que seriam monitorados a fim de se desenvolver um controlador adequado. Verificou-se que deveriam ser avaliados a rotação do motor e o ângulo de injeção. A performance almejada para a ação da malha de controle deve ser a rotação do motor. Investigaram-se as técnicas de controle mais apropriadas para o gerenciamento da injeção de gás natural. Ao se analisarem as técnicas tradicionais observou-se que estas apresentam algumas desvantagens como a complexidade matemática, limitações na faixa de atuação do controlador, dificuldades de adaptação às condições do motor sempre variáveis com o tempo/temperatura e complicações para implementação prática por parte de operadores não-especializados. Para otimizar o volume de gás natural fornecido ao motor foi desenvolvido um gerenciador eletrônico para injeção deste combustível. Este controlador eletrônico baseia-se em um algoritmo nebuloso para regular a taxa de injeção de combustível implementado através de um microcontrolador. O sistema de injeção eletrônica controla o tempo de injeção do combustível, gerenciando assim o volume de gás fornecido a cada ciclo de injeção. O ângulo de injeção, também monitorado com precisão pelo sistema, é sincronizado com o eixo de comando de válvulas e, tomando-se como referência de posição angular o ponto morto superior do primeiro cilindro. Com poucas alterações, esta topologia, pode ser usada em qualquer motor Diesel que opere no regime bi-combustível. Os resultados desta dissertação devem contribuir para o aumento da eficiência do motor bem como redução do consumo de combustível e emissão de poluentes.