Orientador: Carlos Alberto Bandeira Guimarães / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo / Made available in DSpace on 2018-08-06T01:41:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lobkov_DmitriDmitrievich_M.pdf: 951415 bytes, checksum: 540ad2a18af759bf3bb0d0715b212f7f (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Neste trabalho se apresentam argumentos econômicos e de meio ambiente para o uso de GNC em ônibus de transporte público, na forma de gás-diesel. Assim, os objetivos deste trabalho são: Analisar e comparar a experiência real do uso de gás-diesel em outros países e também no Brasil, para oferecer alternativa de combustível Gás Natural Comprimido (GNC) para as empresas de transporte urbano. Fundamentar as vantagens econômicas de reduzir o consumo de combustível diesel em ônibus a gás-diesel, usando como combustível uma mistura de diesel e GNC. Fazer os cálculos de demanda crescente de GNC com a substituição de combustível diesel por GNC nos ônibus urbanos / Abstract: This work presents strong economical and enviromental arguments in favour of the use of CNG (Compress Natural Gas) in the passengers's public transport (buses). The main object of this work is to analyse and compare the real experience in the use of gas/diesel fuel in Brazil and in other countries in an attempt to give an alternative gas fuel system in the public transport. Also it establishes and explains the economical advantage in reducing the consume of diesel fuel in the gas/diesel buses, by the use of a diesel/CNG mixture. Finally, the calculations made show the increasing demand of CNG with the substitution of diesel fuel by CNG in the buses of the public transport / Mestrado / Geotecnia / Mestre em Engenharia Civil

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.

The renewed interest in energy for biomass is supported by the need for different energy sources and the need to protect the environment. Recently, because of increases in crude oil prices, limited resources of fossil oil and environmental concerns there has been renewed focus on vegetable oils and animal fats to make a biodiesel fuel. What is known as biodiesel (methyl or ethyl esters) is a vegetable oil or animal fat chemically treated to replace traditional diesel fuel. Performance parameters and exhaust emissions of a diesel engine fuelled with sunflower and beef tallow ethyl esters and a blend of ethyl and methyl esters, subjected to pre-heating at two temperatures ranges, namely T55 (50 to 60ºC) and T75 (70 to 80ºC), in order to lower its viscosities, have been investigated. Tests were carried out at full load conditions in a four cylinders, four-stroke indirect injection diesel engine. Engine tests, short-term, were conducted at a range speed from 1900 to 4400 rpm. The injection timing was retarded from the manufacturer s recommended setting. The tests were carried out using the same engine and test procedures so that comparative assessments may be made. The tests data were used for evaluating the brake power, exhaust gas temperatures, specific fuel consumption and gaseous emissions. The analysis of the results determined that the level of pre-heating have influence on the performance for used esters. The tests performed at T55 showed the best values of torque (N.m), power (kW) and specific fuel consumption (g.kW-1.h-1) that the tests performed at T75. The bests experiments results were obtained with sunflower ethyl ester and the blend containing 50,0% sunflower ethyl ester and 50,0% beef tallow methyl ester, at -2º BTDC and T55 temperature range. The findings showed that, by using biodiesel, harmful emissions (CO, HC and NOx) can be reduced to some extent of B2 by adjusting the injection pump timing properly and pre-heating of fuel. / O renovado interesse por energia da biomassa é apoiado na necessidade de fontes alternativas de energia e de proteção ambiental. Recentemente, devido ao aumento dos preços do óleo cru, a limitação de seus recursos e as questões relacionadas ao ambiente, um renovado foco passou a existir sobre os óleos vegetais e gorduras animais para produção de um biodiesel combustível. O que é conhecido como biodiesel (éster metílico ou etílico) é um óleo vegetal ou gordura animal tratado quimicamente para substituir o combustível diesel tradicional. Parâmetros de desempenho e emissões de exaustão foram investigados para um motor diesel alimentado com ésteres etílicos de óleo de girassol e de sebo bovino e por uma mistura composta pelo éster etílico de óleo de girassol e pelo metílico de sebo bovino numa proporção volumétrica igual (50,0%+50,0%). Os ésteres estavam sujeitos ao pré-aquecimento segundo duas faixas de temperaturas, chamadas de T55 (50 a 60ºC) e T75 (70 a 80ºC), como forma de redução da viscosidade. Os testes foram conduzidos sob condição de carga máxima em um motor diesel de quatro cilindros, quatro tempos e de injeção indireta de combustível. Os ensaios de curta duração foram efetuados em uma faixa de rotações compreendida entre 1900 e 4400 rpm. O ponto de avanço de injeção foi atrasado em relação ao ponto original recomendado pelo fabricante. Os testes foram conduzidos utilizando o mesmo motor e os mesmos procedimentos de testes para permitir a comparação dos valores obtidos. Nos ensaios foram obtidos os valores de potência, torque, consumo específico de combustível e gases de exaustão. A análise dos resultados indica que o nível de pré-aquecimento tem influência sobre o desempenho dos ésteres utilizados. Os ensaios conduzidos à T55 mostraram melhores valores para torque (N.m), potência (kW) e consumo específico de combustível (g.kW-1.h-1) que os testes executados à T75. Os melhores resultados do experimento foram obtidos pelo éster etílico de girassol e pela mistura contendo 50,0% de éster etílico de girassol e 50% de éster metílico de sebo bovino, sob 2º (P2) de atraso no ponto de injeção e aquecidos na faixa de temperaturas de T55. Os resultados indicam que, pelo uso do biodiesel, as emissões prejudiciais (CO, HC e NOx) podem ser reduzidas aos mesmos níveis do B2 através do ajuste apropriado do ponto de avanço da injeção e o pré-aquecimento do combustível.

[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.

Orientador: Alberto Adade Filho / Dissertação (mestrado profissional) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-18T17:00:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Torrigo_Eduardo_M.pdf: 4407726 bytes, checksum: 787c00ebb1a9971b6c1cf1d6b78d7180 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Tendo em vista a melhora da qualidade do ar, são impostos limites de emissões de poluentes aos motores diesel, obrigando a busca de soluções capazes de reduzir essas emissões. O motor movido a diesel tem como emissão crítica de poluentes os óxidos de nitrogênio e a emissão de material particulado. Toda a química de formação de poluentes está interligada ao processo de combustão, que é diretamente influenciado pelas concentrações de reagentes admitidos no cilindro. A recirculação controlada de gases de escape para a admissão é uma técnica de redução de emissões de óxidos de nitrogênio comumente aplicada ao motor diesel. Motores instalados em veículos estão sujeitos a variações de regime de operação devido à dinâmica veicular, como por exemplo acelerações ou troca de marchas, que produzem alterações na pressão e no fluxo de gases modificando a proporção da mistura de ar limpo e recirculante admitida no cilindro do motor. O sistema de controle dos gases, portanto, é elemento importante no controle das emissões de poluentes. O objeto deste estudo é o projeto e análise de configurações de controle aplicadas ao sistema de ar de um motor diesel. Foram escolhidos os controladores PID descentralizado, atualmente utilizado na indústria, e o regulador linear quadrático com integrador. Para aumentar a representatividade do estudo, é identificado um conjunto de modelos dinâmicos entrada-saída do sistema de ar de um motor diesel para uso no projeto e na simulação dos sistemas de controle. Por intermédio de uma mesma abordagem algorítmica de projeto e utilizando uma função custo de controle ótimo, projetos dessas diferentes alternativas de controle são efetuados e o desempenho dos controladores e suas características são comparados. Os resultados indicam que a configuração multivariável reduz interferências no controle devido ao acoplamento entre as variáveis e também o tempo necessário à acomodação do sistema de ar, mas tem implicações práticas a serem consideradas. Essas características de resposta e desempenho têm impacto na emissão de poluentes, como elaborado no trabalho. Os aspectos práticos de implementação e de confiabilidade também são discutidos / Abstract: Diesel engine technology has been driven by stringent regulation. To fulfill this demand emission control systems are constantly improving The diesel-powered engines are major pollutant sources of nitrogen oxides and particulate matter. All the chemistry of pollutants formation is linked to the combustion, which is directly influenced by concentrations of reagents admitted to the cylinder. The controlled recirculation of exhaust gases to intake chamber is a commonly applied technique to reduce nitrogen oxides emissions of the diesel engines. Engines installed in vehicles are subject to variations in operation due to the vehicle dynamics, such as accelerations or gear shifting, that produce changes in pressures and gases flow, affecting the clean air and recirculated gas mixture proportion admitted to the engine cylinder. The control of the gases therefore plays an important role in pollutant emissions reduction. The goal of this study is the design and analysis of decentralized and multivariable control systems applied to the air management of a diesel engine. To enhance the study representativeness, it is identified a set of dynamic models of the air system of a diesel engine to use in design and of control simulation. The optimal control condition is determined by cost functions reduction. Two different control structure and tuning alternatives are studied and the controller performance and their characteristics are compared. The results indicate that the multivariable proposal (LQR controller with integral action) reduces interferences in the control due to the coupling between variables, it also reduces the settling time of all controlled variables, however the implementation aspects must be evaluated more deeply. The impacts on emissions caused by controller response characteristics and performance are discussed in the work. Reliability and implementation aspects are also discussed / Mestrado / Eletrônica / Mestre em Engenharia Automobilistica

[ES] Las actuales y futuras normativas, en términos de emisiones contaminantes y movilidad sostenible, continuarán fijando una difícil etapa para el desarrollo y mejoramiento de los motores de combustión interna alternativos (MCIA). Los nuevos parámetros conocidos como, emisiones reales de conducción, los cambios de altitud y las condiciones extremas de operación a bajas temperaturas, son los mayores desafíos para cumplir bajo estas nuevas normativas. Por esta razón, la academia y los fabricantes de la industria de la automoción continúan trabajando en colaboración, tratando de desarrollar más eficientes y menos contaminantes sistemas de propulsión. En este trabajo experimental de investigación, los principales resultados de un proyecto de colaboración llevado a cabo entre la empresa Valeo Systèmes Thermiques y la Universitat Poltècnica de València son presentados. La recirculación de gases de escape, en sus dos configuraciones, de alta y de baja presión, y la desactivación de cilindros, son las principales estrategias que se estudiarán en este trabajo, debido a su alto potencial y su bajo costo de implementación. Estas estrategias son evaluadas en un motor Diesel, instalado en una cámara de ensayos climática y operando a bajas temperaturas ambiente (-7°C). La primera estrategia, es la activación de la EGR de alta presión desde el inicio de un arranque de motor y el desarrollo de un modelo de condensación simple capaz de predecir si hay o no condensación dentro de la línea de EGR bajo estas condiciones. En particular, el ratio de humedad y las condiciones internas del motor que caracterizan la aparición de este fenómeno son calculadas por el modelo. Este modelo es validado por medio de cámaras instaladas en el rail de EGR con el objetivo de visualizar la evolución de la condensación dentro de los componentes. El ratio de humedad calculado y el comportamiento de la condensación observado a través de las cámaras, muestran que durante un arranque de motor en frío, las condiciones de condensación en los gases están presentes hasta que se alcanzan aproximadamente 50°C, mientras que en las paredes sólidas y en los componentes, las condiciones se mantienen hasta que se alcanzan aproximadamente 30°C. En la segunda estrategia, una nueva línea de EGR compacta, equipada con un sistema de bypass para el intercambiador de calor es usada con el objetivo de acelerar el proceso de calentamiento del motor en comparación a la línea de EGR de baja presión original del motor. El objeto de esta estrategia es evaluar el impacto en el comportamiento del motor de realizar EGR de baja presión a bajas temperaturas con la activación del sistema de bypass para deshabilitar el intercambiador de calor. Siguiendo esta estrategia, una notable reducción en emisiones de NOx de aproximadamente 60% con respecto a un caso de referencia sin activación de la EGR de baja presión es lograda. Además, el proceso de calentamiento del motor ha sido reducido en aproximadamente 60 segundos y la temperatura de admisión del motor ha sido aumentada en 30°C, liderando una reducción en las emisiones de CO de aproximadamente 12%. En la tercera estrategia, el impacto de usar una nueva configuración de la desactivación de cilindros con el propósito de acelerar el proceso de calentamiento del motor es evaluada. Los resultados muestran un incremento en la temperatura de escape de alrededor de 100°C, el cual permite reducir la activación del catalizador en 250 segundos además de reducir el proceso de calentamiento del motor en aproximadamente 120 segundos. Esto permite reducir las emisiones de CO y HC en un 70% y 50%, respectivamente. Y finalmente, la última estrategia experimental realizada, evalúa el impacto de usar la EGR de alta presión mientras el filtro de partículas está en el modo activo de regeneración. Siguiendo esta posible condición de calibración de motor, una reducción en emisiones de NOx de aproximadamente 50% con respecto a un caso de referencia ha sido alcanzada. / [CA] Les actuals i futures normatives, en termes d'emissions contaminants i mobilitat sostenible, continuaran fixant una difícil etapa per al desenvolupament i millorament dels motors de combustió interna alternatius (MCIA). Els nous paràmetres coneguts com, emissions reals de conducció, els canvis d'altitud i les condicions extremes d'operació a baixes temperatures, són els majors desafiaments per a complir les noves normatives. Per aquesta raó, l'acadèmia i els fabricants de la indústria de l'automoció continuen treballant en col·laboració, tractant de desenvolupar més eficients i menys contaminants sistemes de propulsió. En aquest treball experimental d'investigació, es presenten els principals resultats d'un projecte de col·laboració dut a terme entre l'empresa Valeo Systèmes Thermiques i la Universitat Politècnica de València. La recirculació de gasos del motor, en les seues dues configuracions, d'alta i de baixa pressió, i la desactivació de cilindres, són les principals estratègies que s'estudiaran en aquest treball, a causa del seu alt potencial i el seu baix cost d'implementació. Aquestes estratègies són avaluades en un motor Dièsel, instal·lat en una cambra d'assajos climàtica i operant a baixes temperatures ambient (-7 °C). La primera estratègia, és l'activació de la EGR d'alta pressió des de l'inici d'una arrancada de motor i el desenvolupament d'un model de condensació simple capaç de predir si hi ha o no condensació dins de la línia de EGR. En particular, el ràtio d'humitat i les condicions internes del motor que caracteritzen l'aparició d'aquest fenomen són calculades pel model. Aquest model és validat per mitjà de càmeres instal·lades a el rail de EGR amb l'objectiu de visualitzar l'evolució de la condensació dins dels components. El ràtio d'humitat calculat i el comportament de la condensació observat a través de les càmeres, mostren que durant una arrancada de motor en fred, les condicions de condensació en els gasos són presents fins que s'aconsegueixen aproximadament 50 °C, mentre que a les parets i als components, les condicions es mantenen fins que s'aconsegueixen aproximadament 30 °C. En la segona estratègia, una nova línia de EGR compacta, equipada amb un sistema de bypass per a l'intercanviador de calor és usada amb l'objectiu d'accelerar el procés de calfament del motor en comparació a la línia de EGR de baixa pressió original del motor. L'objecte d'aquesta estratègia és avaluar l'impacte en el comportament del motor de realitzar EGR de baixa pressió a baixes temperatures amb l'activació del sistema de bypass per a evitar l'intercanviador de calor. Seguint aquesta estratègia, s'aconsegueix una notable reducció en emissions de NOx d'aproximadament 60% respecte a un cas de referència sense activació de la EGR de baixa pressió. A més, el procés de calfament del motor ha sigut reduït en aproximadament 60 segons i la temperatura d'admissió del motor ha sigut augmentada en 30 °C, produint una reducció en les emissions de CO d'aproximadament 12%. Per a la tercera estratègia, és avaluat l'impacte d'usar una nova configuració de la desactivació de cilindres amb el propòsit d'accelerar el procés de calfament del motor. Els resultats mostren un increment a la temperatura dels gasos de al voltant de 100 °C, el qual permet reduir l'activació del catalitzador en 250 segons a més de reduir el procés de calfament del motor en aproximadament 120 segons. Això permet reduir les emissions de CO i HC en un 70% i 50%, respectivament. Finalment, l'última estratègia experimental realitzada, avalua l'impacte d'usar la EGR d'alta pressió mentre el filtre de partícules està en la manera activa de regeneració. Seguint aquesta possible condició de calibratge de motor, ha sigut aconseguida una reducció en emissions de NOx d'aproximadament 50% respecte a un cas de referència sense activar la EGR d'alta pressió. / [EN] Current and future legislations, regarding pollutant emissions reduction and green mobility, will continue fixing a difficult stage for the development and improvement of internal combustions engines (ICEs). The Real Driving Emissions (RDE) parameters, the changes of altitude, and the extreme ambient temperature conditions in operation, are the major challenges to fulfill under these new legislations. By these reason, academy and automotive manufacturers continue working in collaboration, trying to develop more efficient and less polluting powertrains. In this experimental research work, the main results of a collaboration project between the private company Valeo Systèmes Thermiques and the Universitat Poltècnica de València are presented. Exhaust gas recirculation (EGR), in both configurations, high-pressure and low-pressure, and Cylinder Deactivation (CDA), are the main strategies studied in this work due to its high potential and low-cost implementation. These strategies are evaluated in a Light-duty Diesel engine, fitted in a climatic test bench and operating under low ambient temperature (-7ºC). The first strategy is the High-pressure EGR activation from the beginning of the engine start and the development of a simple condensation model able to predict whether or not there is condensation inside the EGR line under these conditions. In particular, the humidity ratio and the internal engine conditions that characterize the appearance of this phenomenon are estimated by the model. This model is validated by means of cameras fitted on the EGR rail in order to visualize the condensation evolution. The humidity ratio estimate and the condensation behavior observed through the cameras, shows that during an engine cold start, condensation conditions in the gases are present until reach approximately 50ºC, while in solid walls and components, the conditions remains until reach approximately 30ºC. In the second strategy, a new compact line fitted with a bypass system for the cooler is used with the aim of accelerating the engine warm-up process as compared to the original low-pressure EGR line. The aim of this strategy is to evaluate the impact on the engine behavior of performing Low-pressure EGR at cold conditions and to activate the bypass system in order to disable the cooler. Following this strategy, a noticeable NOx emissions reduction of approximately 60% with respect to a reference case without low-pressure EGR has been achieved. In addition, the engine warm-up process has been reduced in approximately 60 seconds and the engine intake temperature has been increased 30ºC, leading a CO emissions reduction of approximately 12%. In the third strategy, the impact of using a new cylinder deactivation configuration with the aim of improving the engine warm-up process is evaluated. The results show an increase of the exhaust temperatures of around 100ºC, which allows to reduce the diesel oxidation catalyst light-off by 250 seconds besides of reducing the engine warm-up process in approximately 120 seconds. This allows to reduce the CO and HC emissions by 70% and 50%, respectively. And finally, the last experimental strategy evaluates the impact of using the high-pressure exhaust gas recirculation while the diesel particulate filter is under active regeneration mode. Following these possible engine calibration conditions, a NOx emissions reduction of approximately 50% with respect to a reference case without high-pressure EGR during a DPF regeneration process has been achieved. / Miguel Ángel Bernal Maldonado has been partially supported through contract FPI-S1-2017-2377 of "Programa de Ayudas de Investigación y Desarrollo (PAID-01-17) de la Universitat Politècnica de València". The support of Valeo Systèmes Thermiques through projects CN-2016-99 and CN-2018-08 is also greatly acknowledged. / Bernal Maldonado, MÁ. (2023). Study of Different Strategies to Improve the Internal Combustion Engine (ICE) Operating at Cold Conditions [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192652

A utilização mais eficiente dos recursos naturais tem levado a indústria a aumentar a eficiência dos produtos manufaturados. Veículos de transporte Diesel estão incluídos neste cenário. Nos motores Diesel, um componente importante do sistema de injeção é o bico injetor. Uma legislação recente no Brasil introduziu limites de emissões EURO5. Estes novos parâmetros tiveram impacto no projeto do bico injetor com tolerâncias sendo reduzidas, em especial na área da sede do corpo do bico injetor, alterando o parâmetro funcional de pressão de abertura do produto. Neste cenário, o impacto desta superfície cônica retificada sobre a pressão de abertura é grande, bem como, sobre o desempenho do motor Diesel. Este estudo tem como objetivo analisar o defeito de topografia superficial típico e recorrente no processo de retificação interna cônica da sede do corpo dos bicos injetores. Um experimento planejado foi realizado de acordo com método Taguchi e determinou-se a relação sinal-ruído para dois parâmetros de topografia 2D. A superfície da sede também foi analisada utilizando análise topográfica 3D. Os resultados deste estudo incluem a indicação de possíveis causas do defeito recorrente, caracterização dos principais elementos do processo de retificação, caracterização da superfície retificada e otimização dos parâmetros do processo de retificação. / Industries of manufactured products have increased their efficiency optimizing the natural resources usage and Diesel commercial vehicles are included in this scenario. For Diesel engines, one of the most important components of the injection system is the nozzle injector. In Brazil, EURO5 legislation was recently introduced, bringing new emission limits for Diesel engines. Because of this, the nozzle injector design has changed and some manufacturing tolerances were reduced, in special the body seat geometry. This also changed the nozzle opening pressure. In this new process, the body seat grinded conical surface impacts on this functional parameter and consequently the Diesel engine performance. This study has as target to analyze a recurrent defect in the internal conic grinding process of the nozzle body seat. A trial was performed in this process according to Taguchi method and signal / noise ratio for 2D topographic parameters were defined. The body seat surface was also analyzed using 3D topographic analysis. The results of this study include the possible cause of the recurrent failure, characterization of the ground surface, process main elements integrity assessment and optimization of the grinding process parameters.

A crescente preocupação com a poluição ambiental nos centros urbanos tem motivado a adoção de medidas que visam a reduzir o impacto que os agentes poluidores causam. Na cidade de Curitiba, PR, esta preocupação levou os órgãos reguladores do transporte urbano a fomentar o uso do biodiesel B100 como combustível para um conjunto de 34 ônibus da frota da cidade. Entretanto, a adoção desta medida trouxe a necessidade de garantir a vida útil dos motores, o que foi feito definindo-se um plano de manutenção muito mais conservador que o usual, e que previa a troca do óleo lubrificante com o dobro da frequência normalmente praticada. A proposta deste trabalho de mestrado foi a de fazer um estudo que possa subsidiar cientificamente a definição da frequência de troca do lubrificante nos veículos abastecidos com biodiesel B100 no transporte urbano de Curitiba. Para isto, ao longo de um período de 18 meses, o lubrificante desses veículos foi periodicamente analisado, a fim de caracterizar a evolução de seu estado, bem como a degradação de seu desempenho pelo o uso em conjunto com o biodiesel B100. Para obter uma representatividade estatística, tais análises foram feitas em uma população de sete veículos, quatro dos quais eram alimentados com biodiesel B100 e três com óleo diesel convencional, sendo que estes últimos serviam como referência para comparação. As características do lubrificante que foram levadas em conta durante o estudo incluem a viscosidade, a basicidade, a acidez, a oxidação, a contaminação por fuligem, a contaminação por compostos nitrogenados, a contaminação por água, bem como os teores de ferro, chumbo, alumínio, cobre, cromo, silício e molibdênio, elementos estes que tipicamente provêm do desgaste de componentes do motor. O estudo permitiu identificar a viscosidade como a característica que mais se degrada com o envelhecimento do lubrificante pelo seu uso concomitante com o combustível B100. Assim, este parâmetro foi o fator determinante para caracterizar, com base nos resultados obtidos no estudo, que a vida útil do lubrificante deve ser de 9.900 km para o caso de veículos biarticulados, e de 13.100 km para os veículos articulados. Cumpre ressaltar que a realização deste estudo só foi possível pelo interesse e pela colaboração das empresas que juntamente com a UTFPR fizeram parte do projeto LUB-B100: Chevron Brasil Lubrificantes (fabricante de óleos lubrificantes), Volvo do Brasil (montadora de ônibus), Auto Viação Redentor (permissionária do transporte urbano de Curitiba), Nórdica Veículos S. A. (concessionária de veículos) e URBS – Urbanização de Curitiba S. A. (fiscalizadora e reguladora do transporte urbano coletivo de Curitiba). / The increasing levels of pollution in urban centers have induced the adoption of mitigating measures in order to reduce negative consequences. In Curitiba, Southern Brazil, the office that regulates urban passenger transport in the city has promoted the use of pure biodiesel (B100) as fuel for a fleet of 34 buses. However, as this measure was put into practice, concerns related to a possible reduction of engine service life were raised, thus forcing the vehicles-owner companies to adopt a conservative maintenance plan, which doubled the frequency of lubricant oil replacement. This was the opportunity for the present study, which aimed to define on a scientific basis the frequency of lubricant oil replacement in engines fueled with biodiesel B100. In order to characterize both the evolution of lubricant oil degradation, as well as the deterioration of lubricant performance due to the use of biodiesel B100, samples of engine lubricant were collected and analyzed along 18 months. Additionally, aiming to confer statistical representativeness to collected data, a population of 7 buses was considered, four of these being fueled with biodiesel B100, while the other 3 with conventional diesel fuel, thus the latter group served as a reference for comparisons. The following parameters of the lubricant oil were measured and analyzed: viscosity, basicity, acidity, oxidation, contamination by soot, contamination by nitrogenous substances, contamination by water, as well as contents of iron, lead, aluminum, copper, chrome, silicon and molybdenum, which are elements typically originated from the wear of metallic components. The conducted study allowed to point out the viscosity as the lubricant parameter that is most sensitive to concomitant use with biodiesel B100. Thus, this parameter was decisive to conclude that based on measured data the service life of the lubricant should be 9900 km for bi-articulated buses, and 13100 km for the articulated ones. It is worth mentioning that the completion of this study became possible by virtue of the collaboration with those companies that took part of the project named LUB-B100, together with the Federal University of Technology - Parana. These companies are Chevron Brasil Lubrificantes (a lubricant maker company), Volvo do Brasil (a bus manufacturer company), Auto Viação Redentor (a company that operates the passenger urban transport in Curitiba), Nórdica Veículos S. A. (a Volvo dealership company) and URBS – Urbanização de Curitiba S. A. (the office that regulates the urban passenger transport in Curitiba).

A crescente preocupação com a poluição ambiental nos centros urbanos tem motivado a adoção de medidas que visam a reduzir o impacto que os agentes poluidores causam. Na cidade de Curitiba, PR, esta preocupação levou os órgãos reguladores do transporte urbano a fomentar o uso do biodiesel B100 como combustível para um conjunto de 34 ônibus da frota da cidade. Entretanto, a adoção desta medida trouxe a necessidade de garantir a vida útil dos motores, o que foi feito definindo-se um plano de manutenção muito mais conservador que o usual, e que previa a troca do óleo lubrificante com o dobro da frequência normalmente praticada. A proposta deste trabalho de mestrado foi a de fazer um estudo que possa subsidiar cientificamente a definição da frequência de troca do lubrificante nos veículos abastecidos com biodiesel B100 no transporte urbano de Curitiba. Para isto, ao longo de um período de 18 meses, o lubrificante desses veículos foi periodicamente analisado, a fim de caracterizar a evolução de seu estado, bem como a degradação de seu desempenho pelo o uso em conjunto com o biodiesel B100. Para obter uma representatividade estatística, tais análises foram feitas em uma população de sete veículos, quatro dos quais eram alimentados com biodiesel B100 e três com óleo diesel convencional, sendo que estes últimos serviam como referência para comparação. As características do lubrificante que foram levadas em conta durante o estudo incluem a viscosidade, a basicidade, a acidez, a oxidação, a contaminação por fuligem, a contaminação por compostos nitrogenados, a contaminação por água, bem como os teores de ferro, chumbo, alumínio, cobre, cromo, silício e molibdênio, elementos estes que tipicamente provêm do desgaste de componentes do motor. O estudo permitiu identificar a viscosidade como a característica que mais se degrada com o envelhecimento do lubrificante pelo seu uso concomitante com o combustível B100. Assim, este parâmetro foi o fator determinante para caracterizar, com base nos resultados obtidos no estudo, que a vida útil do lubrificante deve ser de 9.900 km para o caso de veículos biarticulados, e de 13.100 km para os veículos articulados. Cumpre ressaltar que a realização deste estudo só foi possível pelo interesse e pela colaboração das empresas que juntamente com a UTFPR fizeram parte do projeto LUB-B100: Chevron Brasil Lubrificantes (fabricante de óleos lubrificantes), Volvo do Brasil (montadora de ônibus), Auto Viação Redentor (permissionária do transporte urbano de Curitiba), Nórdica Veículos S. A. (concessionária de veículos) e URBS – Urbanização de Curitiba S. A. (fiscalizadora e reguladora do transporte urbano coletivo de Curitiba). / The increasing levels of pollution in urban centers have induced the adoption of mitigating measures in order to reduce negative consequences. In Curitiba, Southern Brazil, the office that regulates urban passenger transport in the city has promoted the use of pure biodiesel (B100) as fuel for a fleet of 34 buses. However, as this measure was put into practice, concerns related to a possible reduction of engine service life were raised, thus forcing the vehicles-owner companies to adopt a conservative maintenance plan, which doubled the frequency of lubricant oil replacement. This was the opportunity for the present study, which aimed to define on a scientific basis the frequency of lubricant oil replacement in engines fueled with biodiesel B100. In order to characterize both the evolution of lubricant oil degradation, as well as the deterioration of lubricant performance due to the use of biodiesel B100, samples of engine lubricant were collected and analyzed along 18 months. Additionally, aiming to confer statistical representativeness to collected data, a population of 7 buses was considered, four of these being fueled with biodiesel B100, while the other 3 with conventional diesel fuel, thus the latter group served as a reference for comparisons. The following parameters of the lubricant oil were measured and analyzed: viscosity, basicity, acidity, oxidation, contamination by soot, contamination by nitrogenous substances, contamination by water, as well as contents of iron, lead, aluminum, copper, chrome, silicon and molybdenum, which are elements typically originated from the wear of metallic components. The conducted study allowed to point out the viscosity as the lubricant parameter that is most sensitive to concomitant use with biodiesel B100. Thus, this parameter was decisive to conclude that based on measured data the service life of the lubricant should be 9900 km for bi-articulated buses, and 13100 km for the articulated ones. It is worth mentioning that the completion of this study became possible by virtue of the collaboration with those companies that took part of the project named LUB-B100, together with the Federal University of Technology - Parana. These companies are Chevron Brasil Lubrificantes (a lubricant maker company), Volvo do Brasil (a bus manufacturer company), Auto Viação Redentor (a company that operates the passenger urban transport in Curitiba), Nórdica Veículos S. A. (a Volvo dealership company) and URBS – Urbanização de Curitiba S. A. (the office that regulates the urban passenger transport in Curitiba).

[ES] Las nuevas regulaciones en materia de emisiones de efecto invernadero y calidad del aire han conducido la evolución tecnológica de los motores de combustión interna durante los últimos años. Las mejoras en el proceso de la combustión, la sobrealimentación, la gestión térmica, los sistemas de post tratamiento y técnicas como la recirculación de gases de escape, han permitido que los motores de combustión interna de hoy en día sean cada vez más limpios. La adopción en Europa del nuevo ciclo de homologación WLTP, que considera un ciclo de conducción más realista que su predecesor el NEDC, así como la necesidad de evaluar las emisiones contaminantes en diferentes escenarios de temperatura ambiente y de altitud, suponen un desafío para los fabricantes a la hora de diseñar y optimizar sus motores. En este contexto, el modelado unidimensional del motor ofrece la posibilidad de desarrollar y probar diferentes soluciones con la suficiente precisión,a la vez que permite agilizar el proceso de diseño del motor y reducir los costes de éste. El objetivo de esta tesis es el de desarrollar un modelo completo de motor virtual que permita simular condiciones transitorias de régimen de giro y grado de carga, así como diferentes condiciones ambientales de presión y temperatura. Con este modelo de motor se pretende predecir las principales variables termo-fluidodinámicas en diferentes puntos del motor y las emisiones contaminantes liberadas en el escape. Por otra parte, el arranque en frío y el funcionamiento a bajas temperaturas están asociados a un mayor consumo, mayores emisiones de hidrocarburos (HC) y monóxido de carbono (CO), así como mayores emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) debido a la desactivación de los sistemas de recirculación de gases de escape. Para paliar estos efectos adversos, una opción es lograr que el sistema de postratamiento alcance su temperatura de activación lo más pronto posible. En este trabajo se aborda este objetivo mediante dos soluciones. Por un lado, se ha explorado la posibilidad de elevar la temperatura de los gases en el escape mediante un sistema de distribución variable. Con este método se pueden reducir las emisiones de CO y HC en torno a un 40-50 % y las emisiones de NOx hasta un 15 % durante la primera fase del ciclo WLTC, a costa de una penalización en el consumo de combustible. Por otro lado, también se ha estudiado la posibilidad de aislar térmicamente el sistema de escape. En este caso, es posible reducir las emisiones de CO y HC en torno a un 30 % sin mejorar las de NOx. / [CA] Les noves regulacions en matèria d'emissions d'efecte d'hivernacle i qualitat de l'aire han conduït la evolució tecnològica dels motors de combustió interna durant els darrers anys. Les millores en el procés de la combustió, la sobrealimentació, la gestió tèrmica, els sistemes de postractament i tècniques com la recirculació de gasos d'escapament, han permès que els motors de combustió interna d'avui dia siguen cada vegada més nets. L'adopció a Europa del nou cicle d'homologació WLTP, que considera un cicle de conducció més realista que el seu predecessor el NEDC, així com la necessitat d'avaluar les emissions de gasos contaminants en diferents escenaris de temperatura ambient i humitat, suposen un repte per als fabricants a l'hora de dissenyar i optimitzar els seus motors. En aquest context, el modelatge unidimensional del motor ofereix la possibilitat de desenvolupar i provar diferents solucions amb la suficient precisió, al mateix temps que agilitza el procés de disseny del motor i reduïx els costos derivats d'aquest. L'objectiu d'aquesta tesi és el de desenvolupar un model complete de motor virtual que permeta simular condicions transitòries de règim de gir i grau de càrrega, així com diferents condicions ambientals de pressió i temperatura. Amb aquest model de motor es pretén predir les principals variables termo-fluidodinàmiques en diferents punts del motor i les emissions contaminants alliberades en l'escapament. Per altra banda, l'arrancada en fred i el funcionament a baixes temperatures están associats a un major consum, majors emissions d'hidrocarburs (HC) i monòxid de carboni (CO), així com majors emissions d'òxids de nitrògen (NOx) degudes a la desactivació dels sistemes de recirculació de gasos d'escapament. Per a pal·liar aquestos efectes indesitjats, una opció és aconseguir que el sistema de postractament arribe a la seua temperatura d'activació el més prompte possible. En aquest treball, aquest objectiu s'aborda mitjançant dues solucions. Per una banda, s'ha investigat la possibilitat d'augmentar la temperatura dels gasos en l'escapament per mitjà d'un sistema de distribució variable. Amb aquest mètode s'ha aconseguit reduïr les emissions de CO i HC al voltant d'un 40-50 % i les emissions de NOx fins a un 15 % durant la primera fase del cicle WLTC, acosta d'una penalització en el consum de combustible. Per altra banda, també s'ha estudiat la possibilitat d'aïllar tèrmicament el sistema d'escapament. En aquest cas, és possible reduir les emissions de CO i HC vora un 30 % sense millorar les de NOx . / [EN] The new regulations regarding greenhouse emissions and air quality have led the technological progress of the internal combustion engines during the recent years. Improvements in the combustion process, turbocharging, thermal management, after-treatment systems and techniques such as the exhaust gases recirculation, have resulted in cleaner internal combustion engines. The adoption of the new type approval test in Europe, so-called WLTP, which represents a more realistic driving cycle than its forerunner the NEDC, as well as the need to evaluate pollutant emissions at different conditions of ambient temperature and altitude, represent a challenge for manufacturers when it comes to design and optimise their engines. In this context, one-dimensional engine models offer the possibility to develop and test different solutions with enough accuracy, while hastening the engine design process and reducing its costs. The main objective of this thesis is to develop a complete virtual engine model able to simulate transient conditions of engine speed and load, as well as different ambient conditions of pressure and temperature. The engine model is used to predict the main thermo-and fluid dynamic variables at different engine locations and the tailpipe pollutant emissions. Furthermore, engine cold start and its operation at low temperature is associated to a greater fuel consumption, hydrocarbon (HC) and carbon monoxide (CO) emissions; as well as more nitrogen oxide (NOx) emissions due to the deactivation of the exhaust gases recirculation systems. A solution to mitigate these negative effects is to heat up the after-treatment system so as to achieve its activation temperature as soon as possible. In the work presented, this goal is addressed through two different standpoints. On the one hand, variable valve timing systems have been studied as a way to increase the exhaust gases temperature. With this option it is possible to reduce CO and HC emissions by 40-50 % and NOx emissions by 15 % during the first stage of the WLTC cycle, at the expense of a penalty in the fuel consumption. On the other hand, the thermal insulation of the exhaust system has also been studied with the same objective. In this case, it is possible to reduce CO and HC emissions by 30 %, while not improving NOx ones. / The author wishes to acknowledge the financial support received through the FPI S2 2018 1048 grant of Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID) of Universitat Politècnica de València. / Auñón García, Á. (2021). Development and validation of a virtual engine model for simulating standard testing cycles [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/168906