The work presented in this thesis details a novel engine evaluation approach utilising real-time simulation and advanced engine testing systems for general applicability to new generations of air charging systems. A novel engine air charging system including a charge air handling unit (CAHU) has been developed which is connected to an engine to emulate advanced boosting system conditions. Significant analytical and development work has focused on generating a real-time turbocharger model such that the CAHU can be effectively controlled to emulate the turbocharger performance under both steady and pulsating conditions. Experimental work was carried out to evaluate this new engine air charge testing system against a production turbocharged baseline engine. The accuracies with respect to the boost pressure, turbocharger speed, mass air flow, and fuel consumption in the steady state tests are above 95%, and the level of confidence for the engine back pressure is approximately 90%. The difference of turbocharger speed between the steady turbocharger model and the pulsation model is also identified. In engine transient tests, the boost pressure and engine torque have shown fast response characteristics similar to that of the baseline engine. While general transient trends were achieved, some issues were identified with the high speed control of the CAHU interacting with the dSPACE real time turbocharger model. It is proposed that future improvement can be achieved via applying new control algorithms to improve the accuracy and tracking the CAHU control without increasing the system instabilities.

Este trabalho buscou estudar os efeitos do nível de Swirl e alteração da massa de combustível injetada nas emissões de poluentes de um motor Diesel. Foram selecionados 15 cabeçotes de uma população de 100 cabeçotes e agrupados pelo nível de Swirl. Como o motor testado utiliza 5 cabeçotes, 15 cabeçotes foram separados e classificados em 3 categorias pelo nível de Swirl. Em seguida, o motor foi montado com as 3 categorias de cabeçotes no dinamômetro com o objetivo de levantar os efeitos nas emissões de gases e parâmetros de desempenho do motor. Foram medidas as emissões de NOx, CO, THC, fuligem, fumaça e consumo de combustível nos 13 pontos do ciclo ESC, complementadas com medições de torque e potência à plena carga. Além disso, nas condições de plena carga foi explorado o efeito da alteração da massa de combustível injetado, pela mudança do ponto final de injeção, nos parâmetros de desempenho e emissões. / This work aimed at the investigation of the effects of the level of Swirl and the amount of fuel mass injected in the emissions of pollutants on a diesel engine. Cylinder heads were selected from a population of 100 cylinder heads and them grouped by Swirl level. As the engine used in the tests have 5 cylinder heads, 15 cylinder heads were separated into 3 categories by the Swirl level. The engine was mounted with the 3 Swirl level cylinder heads categories with the aim to investigate all effects on emissions and performance such as NOx, CO, THC, soot, smoke, fuel consumption, power and torque. The tests were performed following the ESC cycle and exploring the full load curve behavior with changes of the end of injection point, therefore altering the amount of fuel mass injected.

Este trabalho está voltado para a avaliação de alternativas de instalação propulsora para o empurrador de comboios fluviais. Estes comboios devem atender o objetivo da Petrobras / Transpetro de transportar álcool e derivados de petróleo pela hidrovia Tietê-Paraná. São apresentados como elementos de subsídio para o trabalho um estudo da demanda de álcool combustível em âmbito mundial e os argumentos para seu uso, bem como da oferta brasileira do produto. Além disso, apresentam-se, de forma sucinta, as principais restrições da hidrovia Tietê-Paraná, que devem servir de base para o projeto do comboio, e as características dos comboios em operação na hidrovia, que transportam outras cargas. São apresentados os critérios estabelecidos para construção de comboios fluviais adaptados ao transporte de álcool e derivados de petróleo, segundo as exigências da Norman e das sociedades classificadoras. O trabalho apresenta também uma investigação sobre novas concepções de instalação propulsora para emprego no empurrador. Assim, para seleção da instalação propulsora do empurrador são consideradas três alternativas: a instalação Diesel, que é concepção empregada em todos os comboios da hidrovia, e duas instalações dieselelétrica, uma convencional e outra com sistema Azipod. São empregados como critérios de avaliação o custo operacional do comboio, o impacto ambiental produzido pela emissão de gases e a segurança de navegação do comboio. Como método de avaliação multi-criterial foi utilizado o método de análise hierárquica. Os resultados da avaliação indicaram uma preferência pela instalação propulsora Diesel. / This work focuses on the evaluation of alternatives of main propulsion plants for towboats of fluvial convoys. These convoys must attend the objectives of Petrobras/Transpetro of transporting ethanol and oil derivatives through Tiete-Parana waterway. A study of the demand for ethanol worldwide and the arguments for its use are presented as supporting elements for the work, as well as the Brazilian supply of the product. Moreover, the main restrictions of the Tiete-Parana waterway, which must be the basis for the project of the convoy, and the characteristics of the convoys in operation in the waterway, which transport other loads, are succinctly presented. Complying with Norman 02 requirements and classifying societies, the criteria established for the construction of fluvial convoys adapted to the transport of ethanol and oil derivatives are also presented here. The work also presents an investigation about new concepts of propulsive installation for the use in the towboat. Therefore, for the selection of the propulsion system of the towboat, three alternatives are considered: the Diesel plant, which is the concept used in all convoys of the waterway, and two Diesel-electric propulsion systems, a conventional one and another with an Azipod system. The operational cost of the convoy, the environmental impact produced by the emission of gases and the safety of navigation of the convoy are used as criteria for evaluation. The method of hierarchical analysis was used as method of evaluation. The results of the evaluation indicated a preference for the Diesel propulsion plant.

Este trabajo tiene como objetivo calcular la variación porcentual de las pérdidas de potencia, eficiencia y aumento de consumo de combustible de un motor de encendido por compresión de aspiración natural, que funciona a diferentes altitudes sobre el nivel del mar utilizando distintas mezclas BX. La metodología consistió en calcular por separado las variaciones en las características del motor debido a la altitud y mezclas BX, luego se sumaron para encontrar la merma total en el desempeño, esto fue posible utilizando métodos de cálculo empíricos para cada caso y supuestos que no consideran las características del combustible para cuantificar el efecto de la altitud en el motor, a su vez, las propiedades del aire no intervienen en el cálculo del efecto de las distintas mezclas BX en el motor. El trabajo contiene tres partes: en la primera se analiza el efecto que tiene la altitud en el desarrollo de la potencia, eficiencia y consumo de combustible en el motor, el estudio demuestra que a medida que se incrementa la altura disminuye la densidad y presión atmosférica, limitando la potencia que puede desarrollar el motor. En la segunda parte se analiza el efecto que tiene el biodiesel de palma aceitera, si bien este combustible tiene características muy parecidas con el diesel 2, algunas propiedades cambian afectando el funcionamiento de un motor de encendido por compresión. El menor poder calorífico del biodiesel limita el desarrollo de la potencia del motor, pero la eficiencia térmica aumenta porque la lubricidad y viscosidad del biodiesel son mayores, lo que disminuye las pérdidas por rozamiento en el sistema de inyección. Para finalizar se presentan cuatro tablas porcentuales, las cuales permiten determinar la variación de la potencia y eficiencia que un motor de encendido por compresión de aspiración natural puede desarrollar y el consumo específico y volumétrico de combustible para distintas mezclas diesel-biodiesel a diferentes altitudes sobre el nivel del mar. De esta manera, si un usuario peruano quiere ir en este momento a una ciudad como Huaraz que queda a 3000 metros de altura con combustible B5 puede saber que su motor estará limitado a desarrollar una potencia 35% menor que la nominal, con 20% menos de eficiencia, 45% más de consumo de combustible en masa y 44% de consumo de combustible en volumen. / Tesis

El presente trabajo analiza el comportamiento de un motor estacionario de cuatro tiempos del ciclo Diesel, para lo cual se consideró tres regímenes de giro del motor (1000, 1500 y 2000 RPM) y para cada régimen de giro se varió tres veces la carga (40, 80 y 120 N-m). En dichas condiciones de funcionamiento se analizaron los parámetros de desempeño del motor, las curvas de presión dentro del cilindro en función de ángulo de giro del cigüeñal, la liberación de calor producida por la quema del combustible y el intercambio de calor a través de las paredes del cilindro. El estudio abarca la parte experimental y la parte del modelado termodinámico cerodimensional. En la parte experimental se realizaron mediciones con el objetivo de recolectar informaciones sobre la presión al interior del cilindro, el flujo de combustible, las temperaturas y presiones de los fluidos del motor y la emisión de gases contaminantes; con excepción de los contaminantes, los datos sirvieron como datos iniciales para la implementación del modelo cero-dimensional y a su vez de referente para poder hacer la validación del modelo. En la parte del modelado, fue necesario el uso de datos correspondientes a la geometría del motor, datos de operación del motor, datos de tiempos de combustión y datos del combustible utilizado. Por ser el modelo de tipo cero-dimensional, no fue posible validar los datos de emisión de contaminantes, pero si los fenómenos físicos como el calor liberado durante la combustión y el intercambio de calor entre los gases y la pared del cilindro. La presión se predice mediante la aplicación de la ley de gas ideal y la primera ley empleada en la liberación de calor, modelada con una función dupla de Wiebe. Los resultados experimentales y del modelado de la presente tesis se presentan de forma gráfica, superponiendo las curvas de liberación de calor y variación de presión al interior del cilindro en las distintas condiciones de operación del motor, comparando así el porcentaje de aproximación entre las curvas teóricas y las experimentales. También se representan, numérica y gráficamente, parámetros de importancia como el retraso al autoencendido, los tiempos de duración de la combustión, la presión sin combustión y la temperatura de los gases en el cilindro. / Tesis

The Earth’s atmosphere consists of both gaseous and condensed-phase components, the condensed-phase material is called particulate matter (PM). The effects of atmospheric PM include adverse health impacts, as well as climate forcing. Both qualitative and quantitative knowledge about PM is necessary to assess these effects, and to devise best mitigation strategies. Understanding the distribution of atmospheric particulate matter is complex because much of it is of secondary origin rather than from primary emissions. Furthermore, there are multiple anthropogenic and natural sources of the contributing precursors, and all these processes are influenced by atmospheric conditions and transport. In this work, one of the major constituents of atmospheric PM - carbonaceous aerosol - is studied. A regional application of the EMEP MSC-W atmospheric chemical transport model - EMEP4UK - was used to model air pollution over the British Isles with a horizontal resolution of 5 km x 5 km. One-way nesting was used from the European computational domain of 50 km x 50 km to the finer spatial grid of EMEP4UK. Several model experiments were devised in order to investigate the well-known deficiency that models currently underestimate organic aerosol (OA) concentrations compared with observations. The model experiments were evaluated with comprehensive year-long novel measurements from the Clear Air for London (ClearfLo) campaign in 2012. Several sources of organic aerosol that are either missing, greatly underestimated, or may be spatially misplaced in official emissions inventories were re-evaluated. Firstly, missing diesel-related intermediate volatility organic compound (IVOC) emissions from diesel vehicles derived directly from field measurements at the urban background site during the 2012 ClearfLo campaign were added into the model. According to the model simulations, these diesel-IVOCs can explain on average ~30% of the annual secondary organic aerosol (SOA) in and around London. Furthermore, the 90- th percentile of modelled daily SOA concentrations for the whole year was 3.8 μgm-3, constituting a notable addition to total particulate matter. More measurements of these precursors (currently not included in official emissions inventories) is recommended. Secondly, spatially and temporally resolved emissions of cooking OA (COA; emissions from meat charbroiling, or frying and deep-frying) were developed. These emissions are currently neglected in European emissions inventories, yet measurements point to significant COA contribution to ambient PM concentrations (up to 2.0 μgm-3 on annual average for central London). The final COA emission source strength derived here (320 mg person-1 day-1) was spatially distributed to workday population density (as opposed to residential population density). The impact of COA on surface concentrations is spatially very limited, however, as the modelled concentrations dropped markedly outside of urban areas. For example, annual average modelled concentration for the Harwell location was just 0.1 μgm-3. Thirdly, redistributing 50% of non-industrial wood and coal burning emissions to residential population density (thus over-writing, in part, the assumption made by the national emissions inventory that only smokeless fuels are burned in smoke control areas) increased the modelled solid fuel OA (SFOA) concentration at the London North Kensington site to 0.8 μgm-3, from the Base run value (using the emissions’ spatial distribution and total as officially reported) of just 0.3 μgm-3. For comparison, the measured annual mean concentration of SFOA at this site was 1.0 μgm-3. Based on the model evaluation presented, redistribution of SFOA emissions into smoke control areas is justified, but further refinement of the amount, as well as the temporal emission profile of this component is necessary. The total effect of the three refinements undertaken in this work increased the model estimate of the annual mean OA concentration at the London North Kensington site from 1.8 μgm-3 to 3.8 μgm-3, which is much closer to the observed value of 4.2 μgm-3. Thus, this work has provided relevant insight into the nature and magnitude of missing, under-represented, and spatially inappropriately-distributed emissions of primary OA and OA precursors. Although the study area was focused on pollutant concentrations over the British Isles, all of the components examined here are of great relevance to the air quality in other countries as well — in Europe and globally. Therefore, the inclusion of these improvements into other air quality models and official emissions’ inventories is advised.

Revestimentos eletrodepositados de cromo duro são amplamente usados em áreas onde se necessite de alta resistência ao desgaste aliado com relativa adequada resistência à corrosão. Apenas alguns micrometros de camada são suficientes para garantir uma redução no coeficiente de fricção e garantir proteção contra corrosão nos mais diversos substratos, possibilitando o uso de materiais base menos nobres em situações severas de aplicação. Um dos principais ramos da indústria que utiliza o cromo duro é a automotiva, e dentre as tantas aplicações podemos citar componentes de motores. Entretanto, durante a última década cresceram os esforços para a substituição do cromo duro devido a sua alta toxicidade. Neste meio tempo, revestimentos de níquel químico ligados ao fósforo (Ni-P) tem ocupado um espaço considerável em aplicações onde a resistência à corrosão e desgaste são primordiais. Baseado nisso, este trabalho visa obter revestimentos em válvulas de escape de motores diesel fabricadas em aço inoxidável de Ni-P com alto teor de fósforo (9-10% de P) aplicando tratamentos térmicos adequados para melhorar suas propriedades. A caracterização foi feita através de ensaios de desgaste, corrosão e avaliação microestrutural comparando com revestimentos de cromo duro atualmente utilizados neste componente mecânico. Resultados obtidos após ensaio tribológico do tipo “ball on plate” utilizando-se uma contra face de Al2O3 e analisando-se o coeficiente de fricção, a microestrutura, o tamanho e a composição química da trilha de desgaste mostram que o tratamento térmico em revestimentos de Ni-P aumenta consideravelmente a sua resistência ao desgaste. Tal resultado possivelmente está ligado a alteração estrutural de uma solução sólida supersaturada amorfa de fósforo em níquel encontrada em depósitos de Ni-P como depositados para a formação de crsitalitos de níquel e precipitados de de fosfeto de nóquel (Ni3P) que ocorrem em temperaturas de 320ºC a 360ºC. Além do mais, os resultados foram amplamente superiores quando comparados ao cromo duro. No que diz respeito a resistência à corrosão, ensaios eletroquímicos de polarização potenciodinâmica e impedância eletroquímica realizados em solução de condensado sintético que reproduz o ambiente do motor mostram novamente que o tratamento térmico age de forma benéfica nos revestimentos de Ni-P, e que até mesmo revestimentos de níquel fósforo não tratados apresentam melhor proteção contra à corrosão se comparados com o depósito de cromo duro. A razão para a melhora em termos de resistência a corrosão provavelmente esteja relacionada ao mesmo fenômeno citado acima. Por fim, revestimentos de Ni-P quando devidamente tratados termicamente se apresentam como promissores na substituição de revestimentos de cromo duro para recobrimento de hastes de válvulas de escape de motores diesel. / Electrodeposited hard chromium coatings are widely used in several areas where wear resistance must be a fundamental property. Only a few microns’ thick layer deposited on a varied range of substrates is capable to reduce considerably their friction coefficient as well as their mass loss during application of a load under dynamic movement. This special ability has always made hard chromium a vital allied of industry, especially in automotive manufacturers. However, over the last decade the efforts to replace hard chromium coatings has increased especially due to environmental concerns related to chemical products involved in the deposition process. Nowadays, several environmental friendly alternatives have been studied in order to substitute hard chromium without loss of the most important properties for a specific case. Following this line of reasoning, one of the most studied coating process in the past 10 years is the electroless nickel plating (Ni-P). In this present study was evaluated the influence of heat treatment on electroless high phosphorus nickel coating (9-10% P wt.) applied on diesel engine exhaust valves. In addition, both untreated and treated Ni-P deposits were then compared to current used electroplated hard chromium coatings in terms of wear, corrosion and microstructural behaviour. The wear behaviour of the Ni-P samples was investigated through a non-lubricated “ball on plate” test carried out against an Al2O3 counter-face. After an analysis of the friction coefficient, microstructure of the worn surface, width and chemical composition of the wear track, was possible to conclude that the heat treatment affect positively the wear resistance of Ni-P coatings, probably due to a structural change from amorphous supersatured solid solution of phosphorus in nickel to a crystalline structure of nickel crystallites and nickel phosphides (Ni3P) occurred between 320ºC and 360ºC. Moreover, Ni-P heat treated coatings showed better results when compared to electroplated hard chromium deposits. In terms of corrosion resistance, heat treated Ni-P coatings showed considerably better results when analyzed in synthetic condensate solution, probably due to the same microstructural phenomena cited above. Finally, Ni-P as-deposited and heat treated coatings showed better corrosion results when compared to electroplated hard chromium deposits in synthetic condensate media, hence acting as a natural alternative for recovering diesel engine exhaust valves instead chromium coatings.

Neste trabalho, o uso de bio-óleo foi proposto como alternativa aos combustíveis fósseis (petróleo). O bio-óleo foi produzido por pirólise de serragem de eucalipto e óleo de fritura de soja descartado, enquanto que o óxido de cálcio (CaO) foi usado como catalisador de pirólise para melhorar o rendimento de bio-óleo. A temperatura do sistema de pirólise foi iniciada a 25 °C e aumentada para 850 °C. A destilação atmosférica de bio-óleo bruto foi realizada após a pirólise e duas frações foram separadas à temperatura de 80−160 ºC (LFP, Fação Leve da Pirólise do bio- óleo) e 160−240 ºC (HFP, Fração Pesada da Pirólise do bio-óleo) e as quais foram analisadas por TGA (análise térmica gravimétrica), GC-MS (cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massa), FTIR (espectroscopia de infravermelho de transformação de Fourier) e RMN (espectroscopia de ressonância magnética nuclear) verificando-se que havia uma abundância de espécies contendo nitrogênio e oxigênio, bem como outras espécies reativas. Com o objetivo de reduzir a quantidade destas espécies após a pirólise, as frações LFP e HFP foram submetidas ao processo de craqueamento térmico na presença de hidrogênio (hidrogenação) e, novamente submetido a hidrogenação catalítica na presença do catalisador de NiMo. Após a hidrogenação catalítca, foi realizada a segunda destilação atmosférica obtendo-se duas frações à temperatura de 80−160 ºC (LFH, Fração Leve da Hidrogenação ) e 160−240 ºC (HFH, Fração Pesada da Hidrogenação) as quais foram igualmente caracterizadas pelas técnicas acima enumeradas, observando-se que mais de 60% de espécies nitrogenadas, oxigenadas e outras espécies reativas foram convertidas em hidrocarbonetos. As diferenças entre LFP, HFP e LFH, HFH foram apresentadas e discutidas criticamente neste trabalho, onde verificou-se após as análises fisico-químicas como composição química, entalpia de combustão, ponto de congelamento, densidade, viscosidade e volatilidadeque as frações obtidas pelo processo de Page 17 of 115 craqueamento e hidrogenação catalítica (LFH e HFH) podem ser usadas como combustíveis, porque apresentaram semelhanças muito próximas nas propriedades fisico-quimicas importantes do óleo de aviação (AF) e óleo diesel (DF). A partir destas informações foram preparadas formulações com 10 e 20% (m/m) das frações: HFH com óleo de aviação (AF) e LFH com oleo diesel (DF). As análises fisico quimicas destas formulações comparadas com o AF e DF mostraram o potencial uso destas frações como aditivos e consequente contribuição para a amenização da crise energética mundial.

Orientador: Ricardo Alan Verdú Ramos / Banca: Emanuel Rocha Woiski / Banca: José Antonio Andrés Velásquez Alegre / Resumo: O emprego de óleos vegetais como combustível é conhecido desde os primórdios do motor de combustão interna de ignição por compressão. Atualmente, por conta dos elevados custos do petróleo e seus derivados, os combustíveis alternativos passam a ser competitivos sob o ponto de vista econômico para uso em motores. Diante desse contexto, foi proposta a construção de uma bancada dinamométrica, envolvendo o desenvolvimento e a concepção dos componentes necessários, e, depois, a realização de testes preliminares do desempenho de um motor reformado, operando com diesel comum comercial (B5), biodiesel de óleo de soja (B100) e nas seguintes proporções de mistura: B20, B50 e B80. Por meio dos ensaios preliminares, foi possível validar os resultados obtidos comparando-os com os valores de torque e potência definidos pelo fabricante do motor. Analisando as curvas obtidas em função da rotação e do combustível utilizado nos ensaios, foi verificado um melhor desempenho do motor com a utilização do B20, especialmente na faixa de rotação ao redor de 1.800 rpm, para a qual o mesmo foi projetado. Por outro lado, nesta mesma faixa de rotação, foi verificado o pior desempenho para a operação com B100, confirmando o que havia sido encontrado na literatura / Abstract: The use of vegetable oils as fuel is known since the dawn of the internal combustion engine of compression ignition. Currently, due to the high cost of oil and its derivatives, alternative fuels become competitive under the economic point of view for use in engines. In this context, it was proposed the construction of a dynamometer bench involving the development and design of the components required, and, after, performing preliminary testing of the performance of a refurbished engine, operating with common commercial diesel (B5), soybean oil biodiesel (B100) and in the following mixing ratios: B20, B50 and B80. Through the preliminary tests, it was possible validate the results obtained comparing them to the values of torque and power defined by the engine manufacturer. Analyzing the curves obtained in function of rotation and the fuel used in the tests, was found better engine performance using the B20, particularly in the speed range around 1,800 rpm, for which it was designed. On the other hand, in this same speed range, the worst performance was verified for operating with B100, confirming what had been found in the literature / Mestre

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:39:37Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo522_1.pdf: 1950681 bytes, checksum: e04ea7f016b875765938b2aa326e6103 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2010 / Petróleo Brasileiro S.A. / Entre os esforços que o Ministério do Meio Ambiente tem feito para melhoria da qualidade do ar no Brasil, está o Programa de Controle de Emissões Veiculares (PROCONVE). Ele estabelece metas que afetam diretamente a qualidade dos combustíveis utilizados para que haja limites máximos para as emissões de poluentes. Visando atender aos novos padrões de exigência, a Petróleo Brasileiro S.A. (Petrobras), principal responsável pelo suprimento de combustíveis do país, vem adequando a especificação de seus produtos e sua infraestrutura para atender aos novos requisitos. O principal foco desses novos requisitos estabelecidos pelo PROCONVE está na qualidade do óleo diesel, principal combustível utilizado pelo setor de transportes do país. A partir de 2013, a Petrobras possui o compromisso de fornecer óleo diesel com teor de enxofre limitado a 10 partes por milhão (ppm) de sua massa. Além da mudança na qualidade requerida, o mercado nacional vem apresentando uma demanda bem acima da atual capacidade de produção da companhia. É nesse contexto que a Refinaria de Pernambuco será implantada, vindo como uma parte da solução para esse problema. Em decorrência da produção desse diesel, de acordo com as novas especificações, a refinaria produzirá um volume considerável de coque verde de petróleo. Esse novo produto precisa ser escoado para manter a programação de produção conforme foi planejado sem que haja interrupções. Este estudo possui o objetivo de propor soluções de escoamento para o coque verde de petróleo da Refinaria de Pernambuco, baseado nas práticas já utilizadas em outras unidades, bem como em práticas de sucesso encontradas na literatura, adequadas às instalações do novo empreendimento e à região Nordeste onde ele será implantado