Publicação
Development of a Platform for the Control and Monitoring of Exhaust Gas Emissions from Internal Combustion Engines
| datacite.subject.fos | Engenharia e Tecnologia::Engenharia Mecânica | |
| dc.contributor.advisor | Serrano, Luis Manuel Ventura | |
| dc.contributor.advisor | Pereira, João Francisco Romeiro da Fonseca | |
| dc.contributor.author | Adam, João Miguel Moura | |
| dc.date.accessioned | 2026-09-04T09:01:17Z | |
| dc.date.available | 2026-09-04T09:01:17Z | |
| dc.date.issued | 2026-06-23 | |
| dc.description.abstract | O presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um sistema portátil de medição de emissões de gases de escape, enquadrado no conceito de Portable Emissions Measurement Systems (PEMS), com especial enfoque na quantificação de óxidos de azoto (NOx). Este desenvolvimento surge no contexto das limitações dos métodos atualmente utilizados seja nas inspeções técnicas periódicas, seja em contexto de laboratório, que frequentemente não refletem as emissões reais em condições de operação dos veículos. O sistema desenvolvido integra três componentes principais: um sistema de medição de caudal baseado num tubo de Venturi, utilizando sensores de pressão diferencial e temperatura; um módulo de medição de NOx com comunicação CAN; e uma unidade eletrónica dedicada responsável pela aquisição, processamento e transmissão de dados. A arquitetura foi implementada com base num microcontrolador ESP32-S3, recorrendo a uma abordagem modular e a uma organização de tarefas inspirada em sistemas de tempo real. O dimensionamento do Venturi foi realizado de acordo com normas ISO, sendo posteriormente validado através de simulação CFD, o que permitiu caracterizar o comportamento do escoamento e os diferenciais de pressão gerados. O sistema eletrónico foi desenvolvido de raiz, incluindo o desenho de uma PCB dedicada com condicionamento de sinal e interfaces de comunicação. O firmware foi implementado em C++, assegurando aquisição e processamento de dados em tempo real. A validação experimental demonstrou boa concordância na medição de NOx e de temperatura. O módulo de NOx apresentou desvios de 7,27%, 0,44%, 11,00%, 15,06% e 21,34% face ao analisador de referência Testo ao longo dos cinco pontos de ensaio, enquanto a concentração de O₂ diferiu apenas 2% do Testo e 0,9% do banco dinamométrico; os valores de lambda concordaram com os sensores do veículo e AEM dentro de 0,35% a 2,59%. A análise CFD previu um diferencial de pressão mensurável de cerca de 0,28 bar em caudal elevado (116 m/s à entrada), mas apenas cerca de 6 Pa (0,00006 bar) em baixo caudal (1,46 m/s), abaixo da resolução de sensores convencionais. Por esse motivo, a medição de caudal não pôde ser validada de forma conclusiva, mantendo-se o erro de pressão diferencial desprezável apenas acima de aproximadamente 160 Pa. De forma geral, o sistema desenvolvido constitui uma solução PEMS simplificada e de baixo custo, com um custo total de componentes de aproximadamente 4296 €, face a sistemas PEMS comerciais que ultrapassam tipicamente 150 000 €. É adequado para aplicações de investigação e desenvolvimento, embora a precisão e a calibração, em particular em baixos caudais, devam ainda ser melhoradas e constituam a base do trabalho futuro. | por |
| dc.description.abstract | The present work aimed at the development of a portable exhaust gas emissions measurement system, framed within the concept of Portable Emissions Measurement Systems (PEMS), with a particular focus on the quantification of nitrogen oxides (NOx). This development arises in the context of the limitations of current methods used both in periodic technical inspections and laboratorial tests, which often do not reflect real emissions under actual vehicle operating conditions. The developed system integrates three main components: a flow measurement system based on a Venturi tube, using differential pressure and temperature sensors; a NOx measurement module with CAN communication; and a dedicated electronic unit responsible for data acquisition, processing, and transmission. The architecture was implemented based on an ESP32-S3 microcontroller, using a modular approach and a task organization inspired by real-time systems. The Venturi was designed according to ISO standards and subsequently validated through CFD simulation, allowing the characterization of flow behaviour and the generated pressure differentials. The electronic system was developed from scratch, including the design of a dedicated PCB with signal conditioning and communication interfaces. The firmware was implemented in C++, ensuring real-time data acquisition and processing. Experimental validation showed good agreement for NOx and temperature measurements. The NOx module differed from the reference Testo analyser by 7.27%, 0.44%, 11.00%, 15.06% and 21.34% across the five tested operating points, while the measured O₂ concentration differed by only 2% from the Testo analyser and 0.9% from the dynamometer test bench. The lambda values agreed with the vehicle and AEM sensors within 0.35% to 2.59%. The CFD analysis predicted a measurable pressure differential of about 0.28 bar at high flow (116 m/s inlet velocity), but only about 6 Pa (0.00006 bar) at low flow (1.46 m/s), which is below the resolution of conventional sensors. Consequently, the flow rate could not be conclusively validated, with the differential-pressure error remaining negligible only above approximately 160 Pa. Overall, the developed system constitutes a simplified, low-cost PEMS solution, with a total component cost of approximately €4296, compared with commercial PEMS that typically exceed €150,000. It is suitable for research and development applications, although its accuracy and calibration, particularly for low flow rates, still require improvement and should constitute the basis for future developments of this work. | por |
| dc.identifier.tid | 204356806 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.8/16778 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights.uri | N/A | |
| dc.subject | PEMS | |
| dc.subject | NOx | |
| dc.subject | Emissões | |
| dc.subject | Venturi | |
| dc.subject | Caudal | |
| dc.subject | CAN | |
| dc.title | Development of a Platform for the Control and Monitoring of Exhaust Gas Emissions from Internal Combustion Engines | |
| dc.type | master thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| thesis.degree.name | Mestrado em Engenharia Automóvel |
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