Modelling, control and testing of internal combustion engines to minimize consumption and pollutant emissions

The objective of the PhD thesis was to research technologies and strategies to reduce fuel consumption and pollutants emission produced by internal combustion engines. In order to meet this objective my activity was focused on the research of advanced controls based on cylinder pressure feedback. These types of control strategies were studied because they present promising results in terms of engine efficiency enhancement. In the PhD dissertation two study cases are presented. The first case is relative to a control strategy to be used at the test bench for the optimisation of the spark advance calibration of motorcycle Engine. The second case is relative to a control strategy to be used directly on board of mining engines with the objective or reducing the engine consumption and correct ageing effects. In both cases the strategies proved to be effective but their implementation required the use of specific toolchains for the measure of the cylinder pressure feedback that for a matter of cost makes feasible the strategy use only for applications: • At test bench • In small-markets like large off-road engines The major bottleneck that prevents the implementation of these strategies on mass production is the cost of cylinder pressure sensor. In order to tackle this issue, during the PhD research, the development of a low-cost sensor for the estimation of cylinder pressure was studied. The prototype was a piezo-electric washer designed to replace the standard spark-plug washer or high-pressure fuel injectors gasket. From the data analysis emerged the possibility to use the piezo-electric prototype signal to evaluate with accuracy several combustion metrics compatible for the implementation of advanced control strategies in on-board applications. Overall, the research shows that advanced combustion controls are feasible and beneficial, not only at the test bench or on stationary engines, but also in mass-produced engines.

Evaluation of two round baling systems for harvesting understory biomass

The objective of this study was to evaluate the performance and to estimate costs of two round baling systems for harvesting understory biomass. One system was a cutter-shredderbaler prototype (Bio-baler). The other system required two successive operations. The first operation was cutting and shredding with a Supertrak tractor equipped with a Fecon mulcher head. The second operation was baling with a Claas baler. The machines were evaluated in three different pine stands on the Osceola National Forest in Florida, United States. Data collection included time study, fuel consumption and bale measurements. Material was collected from a sample of bales for heat and moisture content determination. On the most representative site (Site 2), the Bio-baler recovered 8.05 green t ha(-1) while the mulcher and the Claas baler recovered 9.75 green t ha(-1) (43 and 52 percent of original understory biomass, respectively). Productivity was 0.30 ha h(-1) for the Bio-baler and 0.51 ha h(-1) for the Claas baler. Density of the bales was 321 green kg m(-3) for the Bio-baler and 373 green kg m(-3) for the Claas baler. Average net heat content was 6263 MJ bale(-1) for the Bio-baler and 6695 MJ bale(-1) for the Claas baler with biomass containing 38 percent of moisture content on a wet basis. cost per unit area was less with the Bio-baler (US$320.91 ha(-1)) than with the mulcher-baler system (US$336.62-US$596.77 ha(-1)). Published by Elsevier Ltd.

EVALUATION OF FIVE SUGAR CANE PLANTERS

Brazil is the world biggest producer of sugar cane with an area of 7x10(6) hectares. Mainly the system used for planting is the semi-mechanized one, which consists in opening the furrows with a machine, manually allocating the fractioned stalks and then covering the furrows done by the machines. The great amount of human labor used in the semi-mechanized system is becoming harder to find and also more expensive, indicating the need of a fully mechanized operation. Currently in Brazil these agriculture machines industries offers six different types of fully mechanized sugar cane planters (two types of whole stalks for planting and four using mechanized harvested stalks known as billets). All of them plant in two furrows simultaneously in 1.5 m row spacing. This study analyzed five different machines and the following variables: Working Speed (km h(-1)); Effective Capacity (ha h(-1)), Drawbar Force (kgf), Draw Bar Power (in HP), Fuel Consumption (L h(-1)) and Costs (US$ ha(-1)) comparing them with the semi-mechanized system. This research also characterized the stalks for planting as viable gems number (%), non viable gems number (%) and billet length (m). And lastly the mechanized planting system is cheaper than the conventional one and none of the machines has an adequate mechanism for placing the right amount of sugar cane seed.

Quantification of the environmental impacts of road conditions in Brazil

This study evaluates the impacts of Brazilian highway conditions on fuel consumption and, consequently, on carbon dioxide (COO emissions. For the purpose of this study, highway conditions refer to the level of highway maintenance: the incidence of large potholes, large surface cracks, uneven sections, and debris. Primary computer collected data related to the fuel consumption of three types of trucks were analyzed. The data were derived from 88 trips taken over six routes, each route representative of one of two highway conditions: better or worse. Study results are initially presented for each type of truck being monitored. The results are then aggregated to approximate the entire Brazilian highway network. In all cases, results confirmed environmental benefits resulting from travel over the better routes. There was found to be an increase in energy efficiency from traveling better roads, which resulted in lower fuel consumption and lower CO(2) emissions. Statistical analysis of the results suggests that, in general, fuel consumption data were significant at *P < 0.05, rejecting the null hypothesis that average fuel consumption from traveling the better routes is statistically equal to average fuel consumption from traveling the worse routes. Improved Brazilian road conditions would generate economic benefits, reduce dependency on and consumption of fossil fuels (due to the increase in energy efficiency), and reduce CO(2) emissions. These findings may have additional relevancy if Brazil needs to reduce carbon dioxide emissions to reach future Kyoto Protocol`s emissions targets, which should take effect in January 2013. (c) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Ultramicroporous membranes for hydrogen separation

Fuel cell systems offer excellent efficiencies when compared to internal combustion engines, which result in reduced fuel consumption and greenhouse gas emissions. One of the areas requiring research for the success of fuel cell technology is the H2 fuel purification to reduce CO, which is a poison to fuel cells. Molecular sieve silica (MSS) membranes have a potential application in this area. In this work showed activated transport, a characteristic of ultramicroporous (dp

REENGINEERING THE CONCEPT OF URBAN CARS: A CASE STUDY

Based on a previously developed mathematical model for fuel consumption of a modular car, here we discuss the cross impacts of engineering scenarios vs. flexibility in use for modular vehicle architectures to achieve the reduction of CO2 emissions targeted by the European Union, in 2009. A systems perspective is adopted in conceptualizing a modular architecture of vehicles. From a theoretical viewpoint, we found modular architecture of vehicles a potential design strategy to minimize fuel inefficiencies and, thus, a strategy for design for environment.

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.

Electric vehicles in urban areas: test cases using a scenario simulator

Electric vehicles introduction will affect cities environment and urban mobility policies. Network system operators will have to consider the electric vehicles in planning and operation activities due to electric vehicles’ dependency on the electricity grid. The present paper presents test cases using an Electric Vehicle Scenario Simulator (EVeSSi) being developed by the authors. The test cases include two scenarios considering a 33 bus network with up to 2000 electric vehicles in the urban area. The scenarios consider a penetration of 10% of electric vehicles (200 of 2000), 30% (600) and 100% (2000). The first scenario will evaluate network impacts and the second scenario will evaluate CO2 emissions and fuel consumption.

Valorização energética do biogás de um aterro de resíduos sólidos urbanos

Actualmente, a sociedade depara-se com um enorme desafio: a gestão dos resíduos sólidos urbanos. A sua produção tem vindo a aumentar devido à intensificação das actividades humanas nas últimas décadas. A criação de um sistema de gestão dos resíduos é fundamental para definir prioridades nas acções e metas para que haja uma prevenção na produção de resíduos. Os resíduos sólidos urbanos quando dispostos de forma inadequada podem provocar graves impactos ambientais, tendo sido neste trabalho demonstrado que através de uma gestão eficiente destes é possível aproveitar o potencial energético do biogás e consequentemente diminuir o consumo de combustíveis fósseis reduzindo o impacto ambiental. Os aterros sanitários devem funcionar como a ultima etapa do sistema de tratamento dos resíduos sólidos urbanos e são uma alternativa a ter em conta se forem tomadas todas as medidas necessárias. Estima-se que os aterros sejam responsáveis pela produção de 6-20% do metano existente e que contribuam com 3-4% da produção anual de gases efeito de estufa provenientes de actividades antropogénicas1. É, portanto, fundamental proceder a uma impermeabilização do solo e à criação de condições para recolha do biogás produzido durante a decomposição dos resíduos. Foi estimada a produção de biogás, de acordo com o modelo “LandGEM”, no entanto comparando esta produção com a produção medida pelo explorador, constatou-se uma diferença significativa que pode ser justificada pelo: modo de funcionamento do aterro (longos períodos de paragem); desvio dos resíduos rapidamente biodegradáveis para valorização; a existência de uma percentagem superior ao normal de oxigénio no biogás; a utilização de escórias e cinzas, e a correspondente redução da humidade devido ao compactamento exercido sobre os resíduos durante a sua deposição. Visto tratar-se de um estudo de viabilidade económica da valorização do biogás, foram propostos três cenários para a valorização do biogás. O 1º cenário contempla a instalação de um sistema gerador de energia para comercialização junto da Rede Eléctrica Nacional. O 2º Cenário contempla a instalação de um sistema alternativo de alimentação à caldeira da central de valorização energética de forma a substituir o combustível utilizado actualmente. E o 3º Cenário vem de encontro com os resultados observados actualmente onde se verifica uma reduzida produção/recolha de biogás no aterro. Assim é proposto um sistema gerador de energia que garanta o auto-consumo da exploração do aterro (26 MWh/ano). Qualquer um dos cenários apresenta uma VAL negativa o que leva a concluir que não são viáveis. No entanto, através da análise de sensibilidade, verificamos que estes são claramente afectados por factores como o benefício e o investimento anual, concluindo-se que com alterações nos factores de cálculo, como por exemplo, um aumento no consumo de combustível auxiliar da caldeira (2º cenário), ou com um aumento da factura eléctrica (3º cenário), ou com o aumento do tempo de retorno do investimento inicial(1º cenário), os projectos podem-se tornar viáveis. Por fim importa referir que independentemente da valorização é fundamental continuar a eliminar a máxima quantidade de metano produzida para tentar diminuir o impacto que este tem sobre o ambiente.

Indústria de curtumes: energia e desenvolvimento

Este trabalho, numa fase inicial, teve como pilar fundamental, a optimização energética de uma indústria de curtumes, mais concretamente da empresa Dias Ruivo. Pretendia-se avaliar todos os gastos de energia apresentados pela empresa, com o intuito de verificar se haveria possibilidade de diminuir a factura da electricidade e os custos associados, mantendo a qualidade dos produtos finais. Ainda se pretendia averiguar a viabilidade de reutilização de alguns desperdícios permitindo diminuir a quantidade de energia necessária para o aquecimento de algumas correntes de água. Por último, após os dados recolhidos, sugeriram-se medidas de melhoria, que possibilitariam que a empresa utilizasse os seus recursos de forma optimizada, não apresentando assim gastos desnecessários. Começando pela análise da factura de electricidade, verificou-se que nos anos de 2010 e 2011, a empresa apresentou um consumo de energia de 120 e 128 tep/ano, respectivamente. Determinaram-se igualmente os respectivos indicadores constatando-se que o valor médio para a intensidade carbónica foi de 900 e 1148 kg CO2/tep e para o consumo específico obteve-se 0,131 e 0,152 kgep/ft2, respectivamente. Numa segunda fase, tendo em conta a constante aposta da empresa na inovação de artigos em couro e o facto de estar envolvida num projecto mobilizador de ciência e tecnologia com esse fim, o trabalho incidiu no desenvolvimento de um produto inovador designado por floater que deve ser macio e mais leve que os produtos normais. Com base na aplicação de proteases apropriadas, desenvolveu-se um produto que, ainda na fase de ensaios de bancada e piloto, satisfaz no que respeita à macieza e leveza, sendo que se conseguiu um valor de 67 g/ft2 contra um valor de 75g/ft2 do padrão.

Data gathering approach in dense sensor networks

Sensor/actuator networks promised to extend automated monitoring and control into industrial processes. Avionic system is one of the prominent technologies that can highly gain from dense sensor/actuator deployments. An aircraft with smart sensing skin would fulfill the vision of affordability and environmental friendliness properties by reducing the fuel consumption. Achieving these properties is possible by providing an approximate representation of the air flow across the body of the aircraft and suppressing the detected aerodynamic drags. To the best of our knowledge, getting an accurate representation of the physical entity is one of the most significant challenges that still exists with dense sensor/actuator network. This paper offers an efficient way to acquire sensor readings from very large sensor/actuator network that are located in a small area (dense network). It presents LIA algorithm, a Linear Interpolation Algorithm that provides two important contributions. First, it demonstrates the effectiveness of employing a transformation matrix to mimic the environmental behavior. Second, it renders a smart solution for updating the previously defined matrix through a procedure called learning phase. Simulation results reveal that the average relative error in LIA algorithm can be reduced by as much as 60% by exploiting transformation matrix.

Networked embedded systems for active flow control in aircraft

Aerodynamic drag is known to be one of the factors contributing more to increased aircraft fuel consumption. The primary source of skin friction drag during flight is the boundary layer separation. This is the layer of air moving smoothly in the immediate vicinity of the aircraft. In this paper we discuss a cyber-physical system approach able of performing an efficient suppression of the turbulent flow by using a dense sensing deployment to detect the low pressure region and a similarly dense deployment of actuators to manage the turbulent flow. With this concept, only the actuators in the vicinity of a separation layer are activated, minimizing power consumption and also the induced drag.

Optimização energética das estufas de secagem de uma indústria de cerâmica

A gestão de energia é um dos factores chave do sucesso de uma empresa e como qualquer outro factor de produção deve ser gerido continuamente e eficazmente. A gestão correcta do consumo de energia assume-se como crucial nas empresas do sector cerâmico pois exigem grande consumo de gás natural. Também a tendência de aumento do custo do gás natural tem induzido a necessidade de minimização do consumo de combustível nas indústrias e favorecido o desenvolvimento de novas abordagens para a optimização deste recurso natural. O trabalho apresentado nesta tese teve como objectivo a optimização da energia nas estufas de secagem na Fábrica de Cerâmica de Valadares S.A. A actividade desta empresa consiste na produção de louça sanitária envolvendo um consumo elevado de energia. Realizou-se um levantamento das condições técnicas/operacionais dos equipamentos em estudo e elaborou-se uma ferramenta de simulação que foi aplicada para realizar um balanço energético detalhado e diagnóstico da situação existente. No seguimento, foi efectuada uma análise de mercado, para elaboração do estudo económico da implementação das medidas sugeridas, nomeadamente, a recuperação dos gases de combustão que saem das três estufas que secam os moldes para as estufas de louça cerâmica. Optou-se por esta medida uma vez que reduzirá significativamente, em cerca de 50%, o consumo de combustível (gás natural) nas estufas de secagem. O tempo de retorno do investimento necessário para adquirir o equipamento é de, aproximadamente, 10 meses.

Eficiência Energética na Iluminação Pública

A utilização pouco eficiente da energia representa um elevado encargo para qualquer país, seja do ponto de vista económico, social ou ambiental. Em Portugal a iluminação pública tem um importante peso nas despesas correntes dos municípios. Deste modo, torna-se imperativo agir de modo a aumentar a sustentabilidade energética e diminuir os gastos com a iluminação pública. Os municípios precisam de encontrar soluções que permitam reduzir os consumos, mantendo níveis de segurança e conforto necessários às populações. Neste sentido, este trabalho propõe-se estudar esta problemática, apresentando soluções, de modo a obter-se uma maior eficiência energética desta para as instalações e, consequentemente, conduzir a uma diminuição das emissões de CO2 durante o período de utilização das mesmas.

Design and Development of a Solar Dryer for Microalgae Retrieval - An EPS@ISEP 2013 Spring Project

Currently excessive fossil fuel consumption has become a serious problem. People are searching for new solutions of energy production and there are several options to obtain alternative sources of energy without further devastating the already destroyed environment. One of these solutions is growing microalgae, from which biodiesel can be obtained. The microalgae production is a growing business because of its many useful compounds. In order to collect these compounds microalgae must first be harvested and then dried. Nowadays the solutions used for drying use too much energy and therefore are too expensive and not sustainable. The goal of this project, one of the possible choices during the EPS@ISEP 2013 Spring, was to develop a solar microalgae dryer. The multinational team involved in its development was composed of five students, from distinct countries and fields of study, and was the responsible for designing a solar microalgae dryer prototype for the microalgae laboratory of the chemical engineering department at ISEP, suitable for future tests and incorporating control process (in order not to destroy the microalgae during the drying process). The solar microalgae dryer was built to work as a distiller that gets rid of the excess water from the microalgae suspension. This paper presents a possible solution for this problem, the steps to create the device to harvest the microalgae by drying them with the use of solar energy (also used as an energy source for the solar dryer control system), the technologies used to build the solar microalgae dryer, and the benefits it presents compared to current solutions. It also presents the device from the ethical and sustainable viewpoint. Such alternative to already existing methods is competitive as far as energy usage is concerned.