Coupling of Chemical Kinetics with Computational Fluid Dynamics in a Three-Dimensional Engine Model

The role of computer modeling has grown recently to integrate itself as an inseparable tool to experimental studies for the optimization of automotive engines and the development of future fuels. Traditionally, computer models rely on simplified global reaction steps to simulate the combustion and pollutant formation inside the internal combustion engine. With the current interest in advanced combustion modes and injection strategies, this approach depends on arbitrary adjustment of model parameters that could reduce credibility of the predictions. The purpose of this study is to enhance the combustion model of KIVA, a computational fluid dynamics code, by coupling its fluid mechanics solution with detailed kinetic reactions solved by the chemistry solver, CHEMKIN. As a result, an engine-friendly reaction mechanism for n-heptane was selected to simulate diesel oxidation. Each cell in the computational domain is considered as a perfectly-stirred reactor which undergoes adiabatic constant- volume combustion. The model was applied to an ideally-prepared homogeneous- charge compression-ignition combustion (HCCI) and direct injection (DI) diesel combustion. Ignition and combustion results show that the code successfully simulates the premixed HCCI scenario when compared to traditional combustion models. Direct injection cases, on the other hand, do not offer a reliable prediction mainly due to the lack of turbulent-mixing model, inherent in the perfectly-stirred reactor formulation. In addition, the model is sensitive to intake conditions and experimental uncertainties which require implementation of enhanced predictive tools. It is recommended that future improvements consider turbulent-mixing effects as well as optimization techniques to accurately simulate actual in-cylinder process with reduced computational cost. Furthermore, the model requires the extension of existing fuel oxidation mechanisms to include pollutant formation kinetics for emission control studies.

Development of advanced methods for the simulation of the reacting mixture formation in internal combustion engines with the use of machine learning algorithms

Besides increasing the share of electric and hybrid vehicles, in order to comply with more stringent environmental protection limitations, in the mid-term the auto industry must improve the efficiency of the internal combustion engine and the well to wheel efficiency of the employed fuel. To achieve this target, a deeper knowledge of the phenomena that influence the mixture formation and the chemical reactions involving new synthetic fuel components is mandatory, but complex and time intensive to perform purely by experimentation. Therefore, numerical simulations play an important role in this development process, but their use can be effective only if they can be considered accurate enough to capture these variations. The most relevant models necessary for the simulation of the reacting mixture formation and successive chemical reactions have been investigated in the present work, with a critical approach, in order to provide instruments to define the most suitable approaches also in the industrial context, which is limited by time constraints and budget evaluations. To overcome these limitations, new methodologies have been developed to conjugate detailed and simplified modelling techniques for the phenomena involving chemical reactions and mixture formation in non-traditional conditions (e.g. water injection, biofuels etc.). Thanks to the large use of machine learning and deep learning algorithms, several applications have been revised or implemented, with the target of reducing the computing time of some traditional tasks by orders of magnitude. Finally, a complete workflow leveraging these new models has been defined and used for evaluating the effects of different surrogate formulations of the same experimental fuel on a proof-of-concept GDI engine model.

O impacto energético e as emissões de CO2 dos veículos eléctricos em Portugal

Para a diminuição da dependência energética de Portugal face às importações de energia, a Estratégia Nacional para a Energia 2020 (ENE 2020) define uma aposta na produção de energia a partir de fontes renováveis, na promoção da eficiência energética tanto nos edifícios como nos transportes com vista a reduzir as emissões de gases com efeito de estufa. No campo da eficiência energética, o ENE 2020 pretende obter uma poupança energética de 9,8% face a valores de 2008, traduzindo-se em perto de 1800 milhões de tep já em 2015. Uma das medidas passa pela aposta na mobilidade eléctrica, onde se prevê que os veículos eléctricos possam contribuir significativamente para a redução do consumo de combustível e por conseguinte, para a redução das emissões de CO2 para a atmosfera. No entanto, esta redução está condicionada pelas fontes de energia utilizadas para o abastecimento das baterias. Neste estudo foram determinados os consumos de combustível e as emissões de CO2 de um veículo de combustão interna adimensional representativo do parque automóvel. É também estimada a previsão de crescimento do parque automóvel num cenário "Business-as-Usual", através dos métodos de previsão tecnológica para o horizonte 2010-2030, bem como cenários de penetração de veículos eléctricos para o mesmo período com base no método de Fisher- Pry. É ainda analisado o impacto que a introdução dos veículos eléctricos tem ao nível dos consumos de combustível, das emissões de dióxido de carbono e qual o impacto que tal medida terá na rede eléctrica, nomeadamente no diagrama de carga e no nível de emissões de CO2 do Sistema Electroprodutor Nacional. Por fim, é avaliado o impacto dos veículos eléctricos no diagrama de carga diário português, com base em vários perfis de carga das baterias. A introdução de veículos eléctricos em Portugal terá pouca expressão dado que, no melhor dos cenários haverão somente cerca de 85 mil unidades em circulação, no ano de 2030. Ao nível do consumo de combustíveis rodoviários, os veículos eléctricos poderão vir a reduzir o consumo de gasolina até 0,52% e até 0,27% no consumo de diesel, entre 2010 e 2030, contribuindo ligeiramente uma menor dependência energética externa. Ao nível do consumo eléctrico, o abastecimento das baterias dos veículos eléctricos representará até 0,5% do consumo eléctrico total, sendo que parte desse abastecimento será garantido através de centrais de ciclo combinado a gás natural. Apesar da maior utilização deste tipo de centrais térmicas para produção de energia, tanto para abastecimento das viaturas eléctricas, como para o consumo em geral, verifica-se que em 2030, o nível de emissões do sistema electroprodutor será cerca de 46% inferior aos níveis registados em 2010, prevendo-se que atinja as 0,163gCO2/kWh produzido pelo Sistema Electroprodutor Nacional devido à maior quota de produção das fontes de energia renovável, como o vento, a hídrica ou a solar.

Estudo da viabilidade técnica e económica da conversão para veículo elétrico

O veículo elétrico está cada vez mais presente no mercado de veículos de transporte e apresenta-se como uma solução sustentável para a mobilidade. Reduz as emissões de gases de efeito de estufa (GEE), ruído, e elimina a dependência do petróleo presente nos veículos convencionais. Numa altura em que o sector automóvel está em franca estagnação, e os preços dos combustíveis atingem máximos históricos, a conversão de veículos convencionais em veículos elétricos ganha especial relevo e apresenta-se como uma solução para alguns utilizadores ou mesmo uma oportunidade de negócio para algumas empresas. Este trabalho consiste no estudo da viabilidade técnica e económica da conversão de veículos convencionais em veículos elétricos. São identificados equipamentos essenciais para realizar uma conversão, equipamentos alternativos e alguns opcionais, modo como os equipamentos devem ser instalados no veículo, cuidados a ter durante a instalação e legislação a considerar. No critério técnico aborda-se o desempenho do veículo, velocidade máxima, autonomia, capacidade de aceleração em subidas e desempenho de cada velocidade da caixa. No critério económico o estudo focaliza-se no tempo de retorno do investimento, ponto de inviabilidade do investimento, proveitos num prazo de 10 anos de uso do veículo, e análise do impacto de alguns equipamentos alternativos no investimento total. Abordam-se todos os aspetos a ter em consideração para que se realize uma conversão com sucesso e em simultâneo realiza-se uma conversão tipo do veículo do qual sou proprietário, um Volkswagen Golf 2 de 1988. Em sintonia com os objetivos deste trabalho, demonstra-se que o veículo elétrico é uma boa opção para utilizações citadinas, e que a tecnologia já esta suficientemente madura para este tipo de utilizações, o investimento na conversão é facilmente amortizável e portanto antecipa-se uma era onde prosperarão os veículos elétricos.

Emulação de um motor de combustão interna através de um acionamento eletromecânico de velocidade variável utilizando um motor de indução trifásico

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica Ramo de Energia

Estudo da Viabilidade Técnico-Económica de umm Sistema de Cogeração para um Complexo de Piscinas Interiores

A presente dissertação centrou-se no estudo técnico-económico de dois cenários futuros para a continuação de fornecimento de energia térmica a um complexo de piscinas existente na região do vale do Tâmega. Neste momento a central de cogeração existente excedeu a sua licença de utilização e necessita de ser substituída. Os dois cenários em estudo são a compra de uma nova caldeira, a gás natural, para suprir as necessidades térmicas da caldeira existente a fuelóleo, ou o uso de um sistema de cogeração compacto que poderá estar disponível numa empresa do grupo. No primeiro cenário o investimento envolvido é cerca de 456 640 € sem proveitos de outra ordem para além dos requisitos térmicos, mas no segundo cenário os resultados são bem diferentes, mesmo que tenha de ser realizado o investimento de 1 000 000 € na instalação. Para este cenário foi efetuado um levantamento da legislação nacional no que toca à cogeração, recolheram-se dados do edifício como: horas de funcionamento, número de utentes, consumos de energia elétrica, térmica, água, temperatura da água das piscinas, temperatura do ar da nave, assim como as principais características da instalação de cogeração compacta. Com esta informação realizou-se o balanço de massa e energia e criou-se um modelo da nova instalação em software de modelação processual (Aspen Plus® da AspenTech). Os rendimentos térmico e elétrico obtidos da nova central de cogeração compacta foram, respetivamente, de 38,1% e 39,8%, com uma percentagem de perdas de 12,5% o que determinou um rendimento global de 78%. A avaliação da poupança de energia primária para esta instalação de cogeração compacta foi de 19,6 % o que permitiu concluir que é de elevada eficiência. O modelo criado permitiu compreender as necessidades energéticas, determinar alguns custos associados ao processo e simular o funcionamento da unidade com diferentes temperaturas de ar ambiente (cenários de verão e inverno com temperaturas médias de 20ºC e 5ºC). Os resultados revelaram uma diminuição de 1,14 €/h no custo da electricidade e um aumento do consumo de gás natural de 62,47 €/h durante o período mais frio no inverno devido ao aumento das perdas provocadas pela diminuição da temperatura exterior. Com esta nova unidade de cogeração compacta a poupança total anual pode ser, em média, de 267 780 € admitindo um valor para a manutenção de 97 698 €/ano. Se assim for, o projeto apresenta um retorno do investimento ao fim de 5 anos, com um VAL de 1 030 430 € e uma taxa interna de rentabilidade (TIR) de 14% (positiva, se se considerar a taxa de atualização do investimento de 3% para 15 anos de vida). Apesar do custo inicial ser elevado, os parâmetros económicos mostram que o projeto tem viabilidade económica e dará lucro durante cerca de 9 anos.

Distributed Energy Resources Management using Plug-in Hybrid Electric Vehicles as a Fuel-Shifting Demand Response Resource

In the smart grids context, distributed energy resources management plays an important role in the power systems’ operation. Battery electric vehicles and plug-in hybrid electric vehicles should be important resources in the future distribution networks operation. Therefore, it is important to develop adequate methodologies to schedule the electric vehicles’ charge and discharge processes, avoiding network congestions and providing ancillary services. This paper proposes the participation of plug-in hybrid electric vehicles in fuel shifting demand response programs. Two services are proposed, namely the fuel shifting and the fuel discharging. The fuel shifting program consists in replacing the electric energy by fossil fuels in plug-in hybrid electric vehicles daily trips, and the fuel discharge program consists in use of their internal combustion engine to generate electricity injecting into the network. These programs are included in an energy resources management algorithm which integrates the management of other resources. The paper presents a case study considering a 37-bus distribution network with 25 distributed generators, 1908 consumers, and 2430 plug-in vehicles. Two scenarios are tested, namely a scenario with high photovoltaic generation, and a scenario without photovoltaic generation. A sensitivity analyses is performed in order to evaluate when each energy resource is required.

Desenvolvimento de um Posto de Carregamento Lento com BMS e Interface com o Cockpit para o CEPIUM

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores

Desenvolvimento de um Range Extender para Veículo Elétrico

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores

Polttomoottorin sähkömekaaninen venttiilinohjaus

Työssä tarkastellaanpolttomoottorin venttiilitoimilaitteen toteuttamista sähkömekaanisesti. Tähän mennessä kehitetyt ratkaisut ja rakennetut prototyypit soveltuvat pääosin henkilöautojen vapaasti hengittävien ottomoottoreiden venttiilien ohjaukseen. Venttiilien sähkömekaanisen ohjauksen soveltuvuutta suuriin polttomoottoreihin kuten esimerkiksi voimalaitosdieseleihin on myös tarkasteltu, mutta ongelmaksi muodostuu riittävän suuren magneettisen voiman kehittäminen magneettivuon reitillä esiintyvän suuren ilmavälin takia. Työssä esitetään valmiita ja kehitteillä olevia ratkaisuja polttomoottorin venttiilien ohjaukseen sähkömekaanisesti. Lisäksi käsitellään parannusmahdollisuuksia jo valmiisiin ratkaisuihin ja käydään läpi sähkömekaanisen venttiilinohjauksen ongelmakohtia. Suomeksi ei ole kovin paljon julkaistua materiaalia polttomoottorin venttiilien sähkömekaanisesta ohjauksesta, joten työ tukeutuu pääosin Internetissä julkaistuihin artikkeleihin sekä sähköpostin välityksellä käytyihin keskusteluihin niiden tahojen kanssa, jotka tutkivat ja kehittävät polttomoottorinsähkömekaanista venttiilien ohjausta. Venttiilien sähkömekaanisen ohjauksen tutkiminen tällä hetkellä jakautuu pääpainotteisesti sähkömagneettisen osuuden ja säätöteknisen osuuden tutkimiseen ja kehittämiseen. Työssä ei mennä näiden aihepiirien syvälliseen analysointiin vaan esitetään tämän hetkisentutkimuksen painopisteet ja lähdeviitteet aihepiiriä syventäviin julkaisuihin.

Moottoripolttoaineiden ominaisuuksien mallintaminen

Työn tavoitteena on selvittää voidaanko neuroverkkoa käyttää mallintamaan ja ennustamaan polttoaineen vaikutusta nykyaikaisen auton päästöihin. Näin pystyttäisiin vähentämään aikaa vievien ja kalliiden koeajojen tarvetta. Työ tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston ja Fortum Oy:n yhteistyöprojektissa. Työssä tehtiin kolme erilaista mallia. Ensimmäisenä tehtiin autokohtainen malli, jolla pyrittiin ennustamaan autokohtaista käyttäytymistä. Toiseksi kokeiltiin mallia, jossa automalli oli yhtenä syötteenä. Kolmantena yritettiin kiertää eräitä aineiston ongelmia käyttämällä "sumeutettuja" polttoaineiden koostumuksia. Työssä käytettiin MLP-neuroverkkoa, joka opetettiin backpropagation algoritmilla. Työssä havaittiin ettei käytettävissä olleella aineistolla ja käytetyillä malleilla pystytä riittävällä tarkkuudella mallintamaan polttoaineen vaikutusta päästöihin. Aineiston ongelmia olivat mm. suuret mittausvarianssit, aineiston pieni määrä sekä aineiston soveltumattomuus neuroverkolla mallintamiseen.

Akku ja vetypolttokenno sähköauton voimanlähteenä

Tässä kandidaatintyössä on käsitelty akkuja ja vetypolttokennoja sähköauton voimanlähteenä. Työssä on esitelty sähköautojen ja niiden voimanlähteiden teknologioiden periaatteita, energiankantajia, hyötysuhteita ja päästöjä. Lisäksi on tarkasteltu polttomoottorikäyttöisiä autotekniikoita vertailukohdan saamiseksi. Työn lopuksi on analysoitu sähköautojen markkinoita ja niiden yleistymiseen vaikuttavia tekijöitä. Sähköautot mahdollistavat vaihtoehtoisten energialähteiden käytön, joka antaa tilaisuuden saasteiden ja päästöjen keskitettyyn vähentämiseen ja talteenottoon. Niiden avulla päästään myös pois öljyriippuvuudesta ja paikallisesti aiheutuneista päästöistä. Nykyisten polttoaineiden helpon käsiteltävyyden, kohtuullisien energiatiheyksien ja laajojen infrastruktuurien vuoksi käytössä olevien tekniikoiden syrjäyttäminen on vaikeaa. Uusien tekniikoiden etuja ja haittoja voidaan tarkastella yksinkertaisilla metodeilla, kuten kustannusten, hyötysuhteiden, päästöjen ja polttoaineiden elinkaarien vertailulla. Vertailua vaikeuttaa tosin hintatasojen ja verotuksen eroavaisuudet eri maissa, ja se on siksi suoritettava osin maakohtaisesti. Suurimpia esteitä uusille tekniikoille ovat tällä hetkellä niiden tuomat lisäkustannukset, infrastruktuurien puuttuminen ja nykyisten polttoaineiden korvaaminen toisella.

Electrical machine in a Hybrid Electrical Vehicle

Hybrid electric vehicles (HEV) have attracted very much attention during the latest years. Increasing environmental concern and an increase in fuel prices are key factors for the growing interest towards the HEV. In a hybrid electric vehicle the power train consists of both a mechanical power system and an electric power transmission system. The major subsystems in the mechanical power system are the internal combustion engine which powers the vehicle; electric power transmission including an energy storage, power electronic inverter, hybrid control system; the electric motor drive that runs either in the generating mode or in the motoring mode to process the power flow between the energy storage and the electrical machine. This research includes two advanced electric motors for a parallel hybrid: induction machine and permanent magnets synchronous machine. In the thesis an induction motor and a permanent magnet motor are compared as propulsion motors. Electric energy storages are also studied.

Sähkökäyttöinen moottorikelkka

Diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston sähkötekniikan yksikössä. Työssä tarkastellaan mahdollisuuksia toteuttaa sähkökäyttöinen moottorikelkka. Työn alussa selvitetään, millaiset ovat moottorikelkan käytön aiheuttamat kuormat ja pyörimisnopeusalueet sekä miten polttomoottorit niistä selviävät. Seuraavaksi tarkastellaan eri sähkömoottorityyppien ja akkuvaihtoehtojen soveltuvuutta vastaavaan tehtävään. Työn tuloksena valitaan sähkökäyttöiseen moottorikelkkaan soveltuva sähkömoottori- ja akkutyyppi.