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.

O objetivo do desenvolvimento do projeto foi minimizar uma das principais desvantagens no uso do gás natural veicular, que é a perda de potência, e aumentar sua eficiência volumétrica através da construção de um circuito eletrônico capaz de gerenciar de forma eficiente a injeção do gás. O aumento do rendimento é obtido através do gerenciamento eficiente da mistura ar-combustível utilizando um sistema de malha fechada. O gerenciamento da relação de potência e economia é conseguido com o uso simultâneo de gás natural e o combustível líquido. Nos sistemas de conversão atuais e nos veículos originais a gás natural, a perda de potência é compensada desligando o sistema de gás e utilizando somente o combustível líquido, sendo esta seleção feita de forma manual na maioria dos sistemas de conversão e de forma automática no Fiat Siena tetrafuel, não possibilitando o uso simultâneo do gás com o combustível líquido. A exigência de potência é medida através do ângulo do pedal do acelerador. Quando a exigência de potência é baixa, o sistema opera apenas com gás. No momento em que há solicitação de potência intermediária, o sistema opera com diferentes proporções de etanol e gás. Na situação de solicitação de potência máxima, é utilizado apenas o combustível líquido. Foram feitas comparações entre o sistema convencional e o sistema proposto, através de ensaios dinamométricos, rodoviários e emissão de poluentes. O veículo Volkswagen Gol com seu sistema original utilizando somente etanol possui potência máxima de 64,06 cavalos, (47,77 Kilowatts) e consumo de 12,6 quilômetros por litro de etanol. Com o sistema convencional de gás natural aspirado, o consumo foi de 21 quilômetros por metro cúbico e a potência não ultrapassou 51,82 cavalos (38,64 Kilowatts), com o protótipo desenvolvido a eficiência volumétrica aumentou 25% com consumo de 26,4 quilômetros por metro cúbico. O gerenciamento de potência proporciona potências intermediárias acima de 51,82 cavalos (38,64 Kilowatts), até a potência máxima de 64,06 cavalos (47,77 Kilowatts) em situações que uma maior potência é requerida. O sistema desenvolvido proporciona o benefício da flexibilidade no abastecimento disponível nos sistemas atuais, com a flexibilidade na potência não disponível nos sistemas atuais. / This project intended to minimize one of the main disadvantages of using natural gas vehicles, which was the loss of power, and increase their volumetric efficiency by building an electronic circuit able to efficiently manage the gas injection. The increase in volumetric efficiency is obtained through the efficient management of air-fuel mixture using a closed loop system. The management of the power and economy ratio is achieved with the simultaneous use of natural gas and liquid fuel. In the current conversion systems and original vehicles that use natural gas, the power loss is compensated by turning off the gas system and using only the liquid fuel. This selection is done manually in most conversion systems, and automatically at Fiat Siena Tetrafuel, not allowing the simultaneous use of gas to liquid fuel. The demand for power is measured by the angle of the accelerator pedal. When the power demand is low, the system operates only with natural gas. When intermediate power is required, the system operates with different proportions of ethanol and natural gas. For maximum power, only ethanol is used. Comparisons were made between the conventional and the proposed system through dynamometer tests, road tests and emission analyses. The Volkswagen Gol with original system using only ethanol has a maximum power of 64.06 horses (47.77 Kilowatts) and consumption of 12.6 kilometers per liter of ethanol. With conventional aspirated natural gas system, the consumption was 21 km per cubic meter and the power did not exceed 51.82 horses (38.64 Kilowatts). With the prototype, volumetric efficiency increases by 25%, with consumption of 26.4 kilometers per cubic meter. The power management provides intermediate powers up to 51.82 horses (38.64 Kilowatts) until the maximum power of 64.06 horses (47.77 Kilowatts) in situations where more power is required. The developed system provides the benefit of refueling flexibility found in the original system, with power flexibility not available in original systems.

O objetivo do desenvolvimento do projeto foi minimizar uma das principais desvantagens no uso do gás natural veicular, que é a perda de potência, e aumentar sua eficiência volumétrica através da construção de um circuito eletrônico capaz de gerenciar de forma eficiente a injeção do gás. O aumento do rendimento é obtido através do gerenciamento eficiente da mistura ar-combustível utilizando um sistema de malha fechada. O gerenciamento da relação de potência e economia é conseguido com o uso simultâneo de gás natural e o combustível líquido. Nos sistemas de conversão atuais e nos veículos originais a gás natural, a perda de potência é compensada desligando o sistema de gás e utilizando somente o combustível líquido, sendo esta seleção feita de forma manual na maioria dos sistemas de conversão e de forma automática no Fiat Siena tetrafuel, não possibilitando o uso simultâneo do gás com o combustível líquido. A exigência de potência é medida através do ângulo do pedal do acelerador. Quando a exigência de potência é baixa, o sistema opera apenas com gás. No momento em que há solicitação de potência intermediária, o sistema opera com diferentes proporções de etanol e gás. Na situação de solicitação de potência máxima, é utilizado apenas o combustível líquido. Foram feitas comparações entre o sistema convencional e o sistema proposto, através de ensaios dinamométricos, rodoviários e emissão de poluentes. O veículo Volkswagen Gol com seu sistema original utilizando somente etanol possui potência máxima de 64,06 cavalos, (47,77 Kilowatts) e consumo de 12,6 quilômetros por litro de etanol. Com o sistema convencional de gás natural aspirado, o consumo foi de 21 quilômetros por metro cúbico e a potência não ultrapassou 51,82 cavalos (38,64 Kilowatts), com o protótipo desenvolvido a eficiência volumétrica aumentou 25% com consumo de 26,4 quilômetros por metro cúbico. O gerenciamento de potência proporciona potências intermediárias acima de 51,82 cavalos (38,64 Kilowatts), até a potência máxima de 64,06 cavalos (47,77 Kilowatts) em situações que uma maior potência é requerida. O sistema desenvolvido proporciona o benefício da flexibilidade no abastecimento disponível nos sistemas atuais, com a flexibilidade na potência não disponível nos sistemas atuais. / This project intended to minimize one of the main disadvantages of using natural gas vehicles, which was the loss of power, and increase their volumetric efficiency by building an electronic circuit able to efficiently manage the gas injection. The increase in volumetric efficiency is obtained through the efficient management of air-fuel mixture using a closed loop system. The management of the power and economy ratio is achieved with the simultaneous use of natural gas and liquid fuel. In the current conversion systems and original vehicles that use natural gas, the power loss is compensated by turning off the gas system and using only the liquid fuel. This selection is done manually in most conversion systems, and automatically at Fiat Siena Tetrafuel, not allowing the simultaneous use of gas to liquid fuel. The demand for power is measured by the angle of the accelerator pedal. When the power demand is low, the system operates only with natural gas. When intermediate power is required, the system operates with different proportions of ethanol and natural gas. For maximum power, only ethanol is used. Comparisons were made between the conventional and the proposed system through dynamometer tests, road tests and emission analyses. The Volkswagen Gol with original system using only ethanol has a maximum power of 64.06 horses (47.77 Kilowatts) and consumption of 12.6 kilometers per liter of ethanol. With conventional aspirated natural gas system, the consumption was 21 km per cubic meter and the power did not exceed 51.82 horses (38.64 Kilowatts). With the prototype, volumetric efficiency increases by 25%, with consumption of 26.4 kilometers per cubic meter. The power management provides intermediate powers up to 51.82 horses (38.64 Kilowatts) until the maximum power of 64.06 horses (47.77 Kilowatts) in situations where more power is required. The developed system provides the benefit of refueling flexibility found in the original system, with power flexibility not available in original systems.