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Neste trabalho investigaram-se os efeitos da adição de álcool etílico hidratado combustível na gasolina automotiva Tipo C e do sistema de formação da mistura sobre o desempenho de um motor de combustão interna alternativo bicombustível e Ciclo Otto. O desempenho foi avaliado em termos de torque líquido efetivo, consumo de combustível e emissões de escapamento em regimes permanentes de velocidade e idênticos parâmetros operacionais. A inédita combinação de combustíveis utilizada nos motores bicombustíveis brasileiros motivou a realização deste trabalho, o qual objetivou descrever as vantagens e desvantagens técnicas desta ação sobre o desempenho. O motor utilizado nesta avaliação apresenta configuração de quatro cilindros em linha com cilindrada de 1596 centímetros cúbicos, sistema de fluxo cruzado com 16 válvulas no cabeçote e relação de compressão de 9,5:1. A este motor adaptou-se uma unidade eletrônica de controle programável Electromotive TEC-II, responsável pelo gerenciamento da ignição e da injeção de combustível. Dois grupos de atomizadores de combustível foram utilizados com diferentes geometrias de injeção, e ainda, cinco formulações de gasolina automotiva Tipo C e álcool etílico hidratado combustível. O sistema foi montado em uma bancada dinamométrica e instrumentado de forma a permitir as verificações do torque líquido efetivo, do consumo de combustível e das emissões de escapamento, além das rotações e temperaturas dos fluídos e escoamentos. Os testes foram realizados a plena carga com velocidades de rotação de 2500 min-1, relações de mistura de 0,8 a 1,0 e avanços de ignição de 10°APMS a 40°APMS. Os resultados mostraram que os melhores desempenhos em termos de torque líquido efetivo ocorreram para relações de mistura em torno de 0,9, avanços de ignição em torno de 20ºAPMS e foram praticamente indiferentes à formulação do combustível utilizado nesta condição. O mesmo foi verificado em termos das emissões de escapamento, que se mostraram muito mais sensíveis à mudança dos parâmetros operacionais do motor do que à formulação utilizada. Por outro lado, o consumo de combustível se mostrou muito desfavorável para as operações com álcool etílico hidratado combustível, tendo sido verificados aumentos médios de consumo entre 40% a 50% em relação às operações com gasolina automotiva Tipo C nas condições investigadas. Os efeitos do sistema de formação da mistura, cuja eficiência foi avaliada pela maior ou menor formação de filme de combustível na parede do coletor de admissão, também apresentaram pouca influência sobre o desempenho para qualquer formulação ou condição investigada, tendo sido a temperatura dos gases de escape o melhor parâmetro para verificar a sua influência.

This study investigated the effects of hydrous ethanol addition to Type C automotive gasoline as well as those of mixture formation systems on the performance of a dual fuel internal combustion engine. The performance was evaluated in terms of torque, fuel consumption, and pollutant emissions in steady regimens of velocity and in the same…

Advisors/Committee Members: Mello, Pedro Barbosa.

▼ Este trabalho apresenta uma síntese sobre o dimensionamento de reguladores mecânicos de rotação para motores que usam bombas injetoras unitárias. Apresenta uma fundamentação teórica dos conceitos de reguladores, seus tipos e funções, bem como as características e aplicações de cada um, mostrando também, os principais reguladores Bosch. O tipo de regulador abordado neste trabalho é o utilizado em motores estacionários, que por sua utilização na maioria das aplicações, não possuem sistemas elétricos e apresentam apenas regulagem mecânica de rotação. Também é possível dizer que os sistemas mecânicos são mais baratos e mais seguros para as aplicações estacionárias. É apresentado o projeto através de modelagem tridimensional auxiliada por computador de dois reguladores existentes que serviram de referência para o acréscimo de funções, partida e aproximação, conforme se desejava acrescentar nos sistemas em estudo. A partir daí foram equacionados reguladores estudados e dimensionados através de modelagem auxiliada por computador os quais são apresentados no trabalho. Também são reportados os resultados experimentais obtidos para um motor monocilíndrico, onde são mostrados os valores de potência, torque e consumo para esse motor operando com o regulador original e com as modificações propostas. Na performance do motor ocorreu um acréscimo de torque do motor de 12%, com o acréscimo da função de corretor de torque e uma redução de 50% no tempo de partida do motor com a implementação da função mola de partida. Advisors/Committee Members: Mello, Pedro Barbosa.

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Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica

Neste trabalho será estudado um sistema de recuperação da entalpia dos gases de combustão num sistema de micro cogeração residencial, considerando as necessidades energéticas de uma habitação residencial. Para isso, propõe-se um estudo energético, económico e ambiental. No estudo energético serão determinadas as condições mínimas de funcionamento, e a eficiência do sistema em condições adaptadas às reais; desenvolvendo folhas de cálculo para o dimensionamento do permutador, e de todos os equipamentos a ele associado, como o gerador a gás natural, tubos de cobre para o sistema de escape e o reservatório de água onde esta vai ser aquecida. No estudo económico pretende-se concluir acerca da viabilidade de implementação de um sistema de micro-cogeração incluindo, a possibilidade de venda de energia elétrica à REN (rede de energia nacional). No estudo ambiental pretende-se avaliar a redução de emissões de gases com efeito de estufa, comparando com as emissões do sistema de micro cogeração e uma caldeira mural com um rendimento de 85%.

In this work, the main issue is to study of the recovery of the enthalpy from the exhaust gas using a domestic micro cogeneration system. For this, excel cells were created for the dimension of the heat exchanger and calculated the chemistry and thermodynamic variables. With this, the dimension of the water tank for sanitary hot water supply and a generator running on natural gas can be sized. For better understanding and for viability of the work, three main studies were under consideration, the energy, the economic and the environmental study.

Advisors/Committee Members: Borges, Amadeu Duarte da Silva.

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Uma das principais preocupações dos pesquisadores na otimização do par combustível motor é a de encontrar a velocidade de propagação da chama em motores de combustão interna, sendo de importância fundamental para esta definição o avanço de ignição, a relação de compressão, e a relação ar/combustível. Sabendo-se que, quanto maior a velocidade de propagação, menor deverá ser o trabalho negativo necessário para comprimir a mistura antes do ponto morto superior, e conseqüentemente maior deverá ser a eficiência do ciclo, foram ensaiados 5 relações ar/combustível e 3 relações de compressão, para 5 diferentes combustíveis de composição química conhecida. Para o combustível gás natural veicular realizou-se a análise de emissões dos resíduos de combustão, cujos resultados demonstram variações significativas entre as medidas de tempo, a ignição do combustível e a máxima variação de pressão na câmara de combustão, em um motor CFR (Cooperative Fuel Research). As medidas do tempo de combustão foram realizadas utilizando-se combustíveis líquidos oxigenados como o metil terc butil éter (MTBE), terc amil etil éter (TAEE) e a gasolina comum, e não oxigenados como o isooctano e como combustível gasoso o GNV (gás natural veicular), em função da relação de compressão e razão de mistura ar + combustível. Os resultados obtidos indicaram que os combustíveis de cadeias ramificadas e combustíveis oxigenados apresentam menores velocidades de propagação da chama na câmara de combustão. Verificou-se um acréscimo na velocidade de combustão entre os diversos combustíveis ensaiados, que mostrou-se diretamente proporcional à relação de compressão. Comprovou-se a existência de uma variação da velocidade de combustão devido as variações da relação ar + combustível, onde esta passa por um valor máximo próximo a lambda 0,9 para os combustíveis líquidos e 1 para o gás natural veicular, tendo seu valor reduzido para relações de mistura ar + combustível diferentes destes valores até tornar-se instável.

Essential considerations from researcher that works on the motor-fuel optimization problem, is find out the best flame speed from internal combustion engines. To establish this propagation speed is essential to know: the ignition advancement, the compression link, and the air/fuel relation. As higher as the ignition speed, lower is the need of a negative work to compress the mixture before the top dead center, and than the best cyclic efficiency point. Five relations air/fuel, at three different compression rate where tested, for five different fuel types, with a known chemical composition. For the vehicle natural gas, the combustion residue remaining for the emission was also analyzed, and the results are presented on this paper. The analytical results allow us to demonstrate deep variations between the time table, the fuel ignition and the maximum pressure variation inside the internal combustion chamber on a CFR engine (Cooperative Fuel Research). The combustion time table data were acquired on a high oxygen liquid metil terc butil éter (MTBE) and…

Advisors/Committee Members: Mello, Pedro Barbosa.

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Neste trabalho se desenvolve e se avalia uma metodologia para determinar a duração de combustão de alguns combustíveis em um motor padrão à combustão interna (ASTM-CFR - Cooperative Fuel Research), tendo-se em conta que a duração da combustão está relacionada com a velocidade de propagação da chama e que a relação de compressão, a condição de mistura ar-combustível e a turbulência na câmara de combustão, entre outros fatores, influenciam a duração da combustão. Assim, quanto maior a velocidade de propagação da chama, menor deverá ser o trabalho negativo necessário para comprimir a mistura antes do ponto morto superior, aumentando, assim, a eficiência do ciclo. Em cada bateria de testes, utilizou-se um combustível de composição química conhecida para seis relações de ar-combustível e quatro relações de compressão, sendo eles: o Etanol, o Metanol, o Metil Terc Butil Éter (MTBE) e compostos aromáticos como Tolueno, Etilbenzeno e Xilenos. Determinou-se o tempo de combustão dos combustíveis, em um motor CFR, em função da variação da relação de compressão e razão de mistura ar-combustível.

This work develops and evaluates a methodology to determine combustion duration for several fuels in a standard internal combustion engine (ASTM-CFR - Cooperative Fuel Research). Combustion duration is related to flame speed, compression ratio, air fuel ratio, turbulence inside the combustion chamber and some other factors. Hence, the bigger the flame speed, the smaller the negative work done by the piston to compress the mixture before top dead center, leading to a smaller heat loss during combustion and to a higher efficiency over the whole cycle. In each test batch it was used a fuel with a known chemical structure, for 6 different air fuel ratios and 4 different compression ratios. The fuels used were Ethanol, Methanol, Methyl Tertiary-Butyl Ether (MTBE) and some aromatics such as Toluene, Ethylbenzene and Xylene. The time of combustion of fuels was determined, in an engine CFR, function of the variation of the relation of compression and mixture ratio air-fuel.

Advisors/Committee Members: Mello, Pedro Barbosa.

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O presente trabalho constitui o projeto e a construção de um motor de combustão interna de êmbolo rotativo, idealizado pela empresa M.I.T. (Miranda Inovações Tecnológicas), no qual buscou-se, por analise teórica e comparação com outras máquinas identificar as reais possibilidades das inovações sugeridas, tanto no aspecto funcional quanto no construtivo. A investigação visou descrever e explicar o embasamento teórico sobre o qual foi pensado o motor, as diversas inovações propostas e as peculiaridades construtivas em relação ao que é atualmente produzido. Dentre as novidades pode-se destacar a configuração escolhido para o motor, o formato das câmaras de combustão e, principalmente, o sistema de vedação proposto. Este último usa a chamada vedação por labirinto (tipo de vedação que se vale da perda de pressão que ocorre em um fluído após sucessivas expansões e compressões), no local do sistema tradicional (que veda através do contato físico entre os elementos de selagem e os componentes do motor). Para que fosse possível operacionalizar, ainda que teoricamente, este tipo de vedação, praticamente todo o estudo do motor concentrou-se sobre este ponto. O projeto e a construção de dois protótipos do motor expõem as dificuldades envolvidas na produção de uma máquina com as características propostas, mesmo quando são desconsideradas diversas variáveis (como custo de produção e peso final), e visa-se apenas criar as condições necessárias para que o motor possa ser confeccionado com a máxima confiabilidade possível em relação as soluções estudadas para conseguir demonstrar, quando testado, a sua real potencialidade. As alternativas propostas pelo motor MIT parecem bastante promissoras porém, por tratar-se de uma máquina que apresenta diversos inovações, estudos mais aprofundados deverão ser feitos para melhor entender aspectos fundamentais de seu funcionamento. Entretanto a questão mais importante, e que diferencia este motor, é o sistema de vedação das câmaras de trabalho, portanto compreender a influência do formato e dimensão do labirinto, da distância deste da parede da câmara de trabalho, da velocidade do êmbolo e outros fatores que afetem o seu desempenho pode ser essencial para viabiliza-lo tecnicamente.

The present work describes the project and construction of rotary piston internal combustion engine, designed by MIT ( “Miranda Inovações Tecnológicas”) company, with the purpose of, through theoretical analysis and the comparison with other machines, identifying the real possibilities of the suggested innovations, considering both functional and constructive aspects. The investigation aimed at describing and explaining the theoretical basis on which the engine was idealized, the various innovations proposed and the constructive peculiarities in relation with what is being nowadays produced. Among the novelties, special attention can be given to the configuration that was chosen for the engine, the format of the combustion chambers and, mainly, the proposed sealing system. The latter uses the so-called labyrinth…

Advisors/Committee Members: Mello, Pedro Barbosa.

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O trabalho apresenta uma análise técnica de desempenho dos motores de combustão interna ciclo Diesel, operando com combustível biodiesel em relação à operação com óleo diesel automotivo do tipo B. Busca-se neste trabalho definir uma relação tecnológica entre o antigo (óleo diesel) e o novo (biodiesel), demonstrando-se formas e processos de operação com ambos, a fim de enfatizar a garantia de eficiência da aplicação do biodiesel nos motores que hoje operam com óleo diesel automotivo. O desempenho foi avaliado em relação ao torque, potência, consumo específico de combustível e emissões de fumaça. A aplicação do biodiesel como uma nova forma de energia alternativa, sem alterações em projetos originais dos motores de combustão interna ciclo Diesel, motivou a realização deste trabalho. O motor utilizado nestes ensaios foi um motor Agrale M93 ID, monocilíndrico, com cilindrada de 668 cm³ e relação de compressão de 20,0:1. Neste motor foram ensaiados três tipos diferentes de biodiesel: o de soja, mamona e dendê. Todos os ensaios foram realizados utilizando-se percentuais específicos de adição de biodiesel ao óleo diesel. Utilizou-se inicialmente o B25 (adição de 25% de biodiesel ao óleo diesel tipo B), e posteriormente concentrações de B50, B75 e B100. Todo o sistema motriz foi instalado em uma bancada dinamométrica e instrumentado, a fim de permitir a coleta de informações e avaliações do torque, potência, consumo específico, emissões de fumaça, temperaturas e rotações operação. Os ensaios foram desenvolvidos em velocidades de rotação de 2600, 2400, 2200, 2000 e 1800 min-¹, para cada uma das concentrações de biodiesel e óleo diesel, coletando-se posteriormente todos os dados necessários para aplicar no programa de correção, conforme normatização vigente. Os resultados apresentaram pequenas variações nos parâmetros torque e potência, com variações mais significativas para o consumo específico e emissões de fumaça. Observa-se ao final dos ensaios que a aplicação de biodiesel destas três oleaginosas não altera o funcionamento do motor até percentuais próximos a 25%. Para misturas acima de 50%, verifica-se que o motor ensaiado apresenta reduções mais significativas nos parâmetros torque e potência, com aumento considerável no consumo específico de combustível e redução expressiva nas emissões de fumaça.

This study presents a Diesel cycle internal combustion engine technical analysis of performance operating on biodiesel fuel compared to the operation using type B automotive diesel oil. The aim of the study is to define the technological relationship between the long-standing diesel oil and the new biodiesel, demonstrating ways and processes of operation with both of them, so as to emphasize the guarantee of efficient application of biodiesel in engines which presently operate on automotive diesel oil. The performance was evaluated in relation to torque, power, specific fuel consumption and smoke emissions. The application of biodiesel as a new form of alternative energy, with no alterations in original cycle Diesel…

Advisors/Committee Members: Mello, Pedro Barbosa.

▼ A produção combinada de calor e electricidade, também denominada de cogeração, é uma tecnologia recente que proporciona, quer uma melhoria da eficiência energética, quer benefícios ambientais, através da redução do consumo de energia primária e das emissões associadas de gases com efeito de estufa. A natureza da produção descentralizada, inerente a esta tecnologia, possui igualmente, o potencial para reduzir as perdas associadas às ineficiências na transmissão e distribuição de electricidade, garantir o abastecimento eléctrico contínuo, evitando as falhas de abastecimento da rede pública, assim como aliviar os problemas de procura nos picos de consumo, podendo assumir um impacto profundo no sistema energético português. Este trabalho começa por analisar os principais sistemas de micro-cogeração existentes, compara-os e, posteriormente, efectua o projecto de um sistema de micro-cogeração, através de um motor de combustão interna, no sector residencial. Advisors/Committee Members: Grade, António Manuel de Morais.

Tese de Mestrado Integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2013 Advisors/Committee Members: Correia, Nuno André Curado Mateus, Barbosa, João, Marques, António Torres, Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia.

▼ O presente trabalho teve como objectivo principal o estudo do desempenho de três motores de pequena cilindrada de forma a verificar se o motor Honda Gx120, que equipou o veículo de baixo consumo da equipa responsável pelo projecto UBICAR, do Departamento de Engenharia Electromecânica da Universidade da Beira Interior, que participou na prova Shell Eco Marathon, foi a melhor escolha. Para o estudo da previsão dos desempenhos dos motores foram efectuadas medições e cálculos de forma a conhecer as suas curvas características, para posteriormente serem utilizadas no programa de simulação UBIANSim. Este, por sua vez, permitiu simular os desempenhos dos motores ao longo da prova da Shell Eco Marathon, tendo em conta a aerodinâmica, o peso, a relação de transmissão, os atritos do veículo e a estratégia que foi utilizada pela equipa para ligar e desligar o motor ao longo da prova. Das simulações foi possível constatar que a opção pelo motor Honda Gx120 foi a mais adequada, pois este apresentou os melhores resultados ao nível de economia do combustível. Foi ainda realizado um estudo sobre a influência que a relação de transmissão, o peso, a aerodinâmica e os atritos de do veículo têm sobre o consumo de combustível do veículo, tendo-se verificado que a melhoria destes parâmetros permitiria obter uma economia de combustível de 26%. Por fim, foi realizado um estudo para determinar como seria o desempenho do motor se o seu ciclo termodinâmico fosse modificado, convertendo o ciclo de Otto num ciclo de Miller, conseguido através da modificação da árvore de cames existente no motor. Para este estudo foram realizadas medições sobre a árvore de cames, cálculos e simulações através do programa Engine Analizer Pro, que permitiu simular um banco de ensaios, permitindo obter as curvas características do motor antes e após a modificação da árvore de cames. Foram também efectuadas simulações com o UBIANSim para determinar o desempenho do motor com a árvore de came modificada ao longo da pista. Pelos resultados obtidos foi possível verificar que, com base nas simulações efectuadas, a modificação da árvore de cames não traria benefícios para o desempenho do motor. Advisors/Committee Members: Brójo, Francisco Miguel Ribeiro Proença, Gonçalves, Luís Carlos Carrilho.

▼ [ES] Las amenazas a las que se enfrentan los motores de combustión interna, tales como emisiones contaminantes, agotamiento del petróleo o el auge de otros tipos de motores (vehículo eléctrico), vinculan el futuro de los vehículos propulsados por este tipo de motor a la mejora del mismo en cuanto a consumo de combustible y a emisiones contaminantes se refiere. Adicionalmente, la alta exigencia de la normativa actual y venidera está forzando a las empresas de automoción a centrarse en el desarrollo de estrategias innovadoras dirigidas a aumentar el rendimiento del motor con baja repercusión en emisiones contaminantes. Un primer paso para atajar esta problemática es centrarse en los procesos que ocurren en la cámara de combustión, que es la base del motor. Teniendo en cuenta este escenario, el objetivo principal del presente trabajo es evaluar y optimizar el ciclo indicado de un motor de combustión interna por medio de una herramienta termodinámica 0D. El acoplamiento de esta herramienta, previamente desarrollada en el grupo de trabajo, con un modelo de emisiones de \NOx{} y una herramienta de optimización, permite la evaluación del impacto sobre el rendimiento indicado de varios límites operacionales y procesos reales que tienen lugar en la cámara de combustión. En primer lugar, se ha evaluado el rendimiento indicado de diferentes ciclos ideales en los motores estudiados en el trabajo. Debido a que la diferencia entre ciclos ideales y reales es resultado de la existencia de varias imperfecciones, se ha realizado un estudio de sensibilidad de dichas imperfecciones para determinar cuáles son las que tienen mayor impacto sobre el rendimiento indicado. A continuación, se han buscado los ciclos teóricos óptimos, en este caso ya teniendo en cuenta los principales fenómenos que ocurren en el cilindro, para obtener la ley de combustión que maximiza el rendimiento indicado a la vez que cumple con diferentes restricciones mecánicas y límites de emisiones. En este análisis se concluye que la velocidad de combustión es el parámetro más importante a tener en cuenta. Con el fin de evaluar algunas técnicas experimentales comúnmente usadas para aumentar la velocidad de combustión, parámetro clave como se ha comentado, se han utilizado diferentes enfoques tales como balances globales de energía, división de pérdidas y diseños de experimentos. Las conclusiones extraídas de dichos análisis han sido usadas para optimizar experimentalmente la ley de combustión. La comparación entre esta optimización experimental y la teórica proporciona el impacto en el rendimiento indicado que supone la limitación en la velocidad de combustión impuesta por el motor analizado. Esta metodología actúa como una herramienta de análisis comparativo entre diferentes arquitecturas del motor, estableciendo el techo de eficiencia bajo las condiciones de operación consideradas, y con ello la ganancia máxima alcanzable por un hipotético motor perfecto.; [CAT] Les amenaces a què s'enfronten els motors de combustió interna, com ara emissions contaminants,… Advisors/Committee Members: Martín Díaz, Jaime (advisor).

▼ This study is focused on the characterization of thermoelectric modules Hi-Z 20, the characterization of its operational conditions as energy recovery system over the exhaust pipe of a vehicle, and the evaluation of the impacts on the fuel consumption by its implementation on the vehicle?s exhaust pipe. The module characterization it's done with a test rig specifically designed for the identification of its thermal and electric properties in steady state conditions. Likewise, the characterization of its operational conditions consist in the measurement of temperatures along the exhaust pipe, which allows to find que thermic potential to be recovered. Finally, the influence of the thermoelectric modules implementation its evaluated through a mean value engine model (MVEM) that permits the fuel consumption calculation from the brake specific fuel consumption map (BSFC) Advisors/Committee Members: Muñoz Camargo, Luis Ernesto (advisor), Pinilla Sepúlveda, Alvaro Enrique (advisor), Arias Henao, Camilo Andrés (advisor).

▼ Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia de diagnóstico de falhas em grupos motor-gerador de combustão interna utilizados na geração de energia elétrica através da técnica de análise da assinatura elétrica (ESA). Isto foi possível através da realização de ensaios experimentais num laboratório de modelo reduzido onde se tinha instalado um motor a diesel do tipo monocilindríco operando como máquina primária de um gerador síncrono. Lá foram simuladas algumas falhas, em ambas as máquinas, e colhidos os sinais elétricos de tensão e de corrente fornecidos pelo gerador. A partir disto procedeu-se a interpretação destes sinais em forma de espectro, com processamento via transformada rápida de Fourier (FFT), buscando divergência em suas características com outros oferecidos pelas máquinas na condição de normalidade, isto é, isenta de falha. Em seguida foi realizada uma exploração matemática das grandezas envolvidas, no sentido de representar cientificamente a metodologia. O resultado foi a identificação de padrões de falha típicos para cada tipo falha simulada, gerando como contribuição a abertura de uma nova linha de pesquisa da técnica ESA, que é a de identificação de problemas em motores de combustão interna. Isto também trouxe a possibilidade de correlacionar grandezas mecânicas e elétricas quando se utiliza o gerador como elemento transdutor de um motor numa operação acoplada. Ainda foi possível realizar aquisições de sinais em grupos motor-gerador de uma usina termelétrica com o intuito de buscar os padrões de falha observados nos ensaios experimentais e avaliar o comportamento do espectro elétrico fornecido por um motor do tipo multicilíndrico. Advisors/Committee Members: SHINOHARA, Armando Hideki (advisor), SILVA, Luiz Eduardo Borges da (advisor), http://lattes.cnpq.br/9814972564961630 (advisor).

▼ O aprimoramento da performance de um motor de combustão interna automobilístico, tem se tornado a cada dia um fator mais requisitado durante o desenvolvimento de novos motores. Portanto, o projeto de um sistema de admissão de ar que possibilite a obtenção de uma maior eficiência volumétrica, e consequentemente proporcione melhores valores de torque e potência sob determinadas velocidades de rotação do motor, torna-se extremamente necessário. Neste trabalho, foram realizadas análises e otimizações da geometria do coletor de admissão do motor Fiat E.torQ 1.6L 16v aspirado, utilizando o software GT-POWER que aplica a tecnologia CFD 1D. Para isto, foram feitas modificações estruturais na modelagem do motor E.torQ 1.6L 16v Turbo, já validado experimentalmente, convertendo-o no motor E.torQ 1.6L 16v aspirado. Posteriormente, foi efetuado o processo de otimização pelo método de Brent, onde foram calculados os comprimentos dos runners do coletor de admissão que proporcionam a máxima eficiência volumétrica ao motor, em cada velocidade de rotação determinada entre 1000 e 6000 RPM. Este método de otimização é considerado confiável e rápido, pois correlaciona os métodos de Interpolação Parabólica e o Golden-Section Search. A partir da obtenção dos comprimentos de runners otimizados, foi possível simular o motor operando com o coletor de admissão parametrizado com cada um destes comprimentos de runner. Através da sobreposição das curvas de eficiência volumétrica em função da velocidade de rotação, de todos os casos simulados, e analisando a tendência de crescimento e decrescimento das curvas, vê-se que quanto menor o comprimento de runner a eficiência volumétrica tende a ser máxima quando o motor está sob maiores velocidades de rotação. Baseando-se no comportamento das curvas eficiência volumétrica, foram propostas duas configurações de coletor de admissão de geometria variável. Os resultados do desempenho do motor operando com cada uma das propostas de coletor de admissão de geometria variável, mostraram que o motor pode empregar maiores valores de eficiência volumétrica, torque, potência efetiva e BSFC sob determinadas condições de velocidade. Advisors/Committee Members: OCHOA VILLA, Alvaro Antonio (advisor), HENRIQUEZ GUERRERO, Jorge Recarte (advisor), http://lattes.cnpq.br/4772819975495579 (advisor).

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O projeto do coletor de admissão é essencial para alcançar o melhor desempenho de um motor de combustão interna, e, portanto diversos parâmetros devem ser considerados durante o desenvolvimento do mesmo. Por exemplo, uma distribuição de ar não uniforme conduz a uma eficiência volumétrica não uniforme no cilindro, perda de potência e aumento do consumo de combustível. Por outro lado, as variações de pressão no coletor de admissão, devido aos efeitos pulsantes no escoamento do ar podem substancialmente aumentar ou reduzir o desempenho do motor. Atualmente, no Brasil, a maior parte dos coletores de admissão é fabricada a partir do nylon com fibra de vidro, pois proporciona redução de peso, redução de atrito nos dutos e geometrias internas complexas. Porém, novos fatores se tornam importante como redução de integridade estrutural e atender a requisitos de pressão de estouro. Este trabalho apresenta as principais etapas de desenvolvimento de um coletor de admissão plástico soldado por vibração. Primeiramente as principais dimensões do coletor são definidas a partir da simulação unidimensional. A partir disso, o modelo tridimensional é construído levando em consideração o espaço disponível no compartimento do motor e aspectos que permitam a injeção e solda das partes. Em seguida, a geometria interna do coletor é otimizada visando diminuir as perdas de carga aumentando a eficiência volumétrica. A integridade estrutural do coletor e solda deve ser analisada a fim de atender os requisitos do cliente. Ao confirmar o desenho do coletor de admissão através de testes com peças protótipos, se inicia a fabricação dos ferramentais de produção.

Intake manifold project is essential to achieve the best internal combustion engine performance, and, therefore, several parameters should be considered during it development. For instance, an uneven air distribution lead to uneven cylinder volumetric efficiency, power loss and increased fuel consumption. On the other hand, pressures variations within intake manifold due to air flow transient effects could substantially increase or decrease the engine performance. Nowadays, in Brazil, the majority of the intake manifolds are fabricated from nylon with glass fiber which provides weight reduction, wall friction reduction and complex internal geometries. However, new factors become important like structural integrity reduction and withstand to burst pressure. This work presents the mainly development stages of a plastic intake manifold vibration welded. First, the basic intake manifold dimensions are defined through one-dimensional simulation. From this, three-dimensional model is built considering the engine compartment space available and aspects which allows injection and welding process of manifold shells. Then, intake manifold internal geometry is optimized to minimize air flow losses, increasing the volumetric efficiency. Intake manifold structural integrity and welding quality should de evaluated to withstand customer requirements. Confirming the intake manifold drawing through tests…

Advisors/Committee Members: Santos, Antonio Moreira dos.

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A utilização de combustíveis fósseis é percebida, cada vez mais, de forma negativa, visto seus elevados níveis de emissão de gases de efeito estufa. Por conta disso, busca-se a ampliação do uso de combustíveis de origem renovável de forma a diminuir o impacto ambiental. Dentre esses, o etanol se destaca pelas excelentes características físico-químicas. Ao se reduzir o nível de pureza (diluição em agua) durante o processo de destilação desse combustível, obtém-se um sensível decréscimo da energia dispendida na sua produção. Isso se deve ao crescimento exponencial do consumo energético para obtenção de misturas com teor de etanol superiores à 80% v/v. Assim, a possível utilização de misturas superhidratadas, mesmo que apresentem menor poder calorífico, resultam em uma economia direta de energia no processo de obtenção. Dessa forma, esse trabalho avalia o impacto da utilização de misturas de etanol com elevadas concentrações de água em um motor monocilíndrico de testes, com volume deslocado de 0,668 L, injeção de combustível no coletor de admissão, e ignição por centelha. Inicialmente, avaliou-se via testes de bancada o efeito da substituição direta do etanol comercial por misturas com maior hidratação nos parâmetros de desempenho e emissões. Em seguida, buscou-se explorar as características anti-detonantes da água através do aumento da razão de compressão visando ao aumento de eficiência indicada do motor. Por fim, estudos numéricos foram conduzidos de forma a verificar o efeito da concentração de água sobre os valores de velocidade de chama e temperatura adiabática em uma chama livre unidimensional. Foram também determinados os valores de tempo de indução para condições de temperatura e pressão experimentais. Com isso, observou-se a possibilidade de operação com elevadas razões de compressão para maiores percentuais de água com sensível aumento da eficiência indicada e nível de emissões semelhantes ao etanol comercial. O aumento de água causou uma diminuição na velocidade de queima e na temperatura adiabática de chama, enquanto que o tempo de indução possuiu efeitos opostos dependentes da condição de operação.

The use of fossil fuels have faced several restrictions due its higher greenhouse gas emissions during the combustion process in internal combustion engines. Thus, there is an urge aiming to diversify the number of renewable fuels in order to decrease the environmental impact. Among them, ethanol is notorious, presenting excellent physico-chemical properties. Decreasing the ethanol level on ethanol-in-water mixtures after the distillation process, a lower energy expense can be achieved. This is related to the exponential growing in the energy consumption to obtain mixtures containing ethanol in water concentrations higher than 80% v/v. Therefore, the use of highly hydrated mixtures, despite the decrease in heat values, results in energy savings during its production process. This work evaluates the impact of using mixtures containing high water concentrations in a single cylinder engine, 0.668L, with port…

Advisors/Committee Members: Pereira, Fernando Marcelo.

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Este trabalho aborda o desenvolvimento de um sistema de controle em malha fechada de torque e velocidade de rotação para testes de motores de combustão interna em uma bancada que possui um dinamômetro de correntes de Foucault. É apresentada uma revisão bibliográfica que abrange a fundamentação teórica básica sobre dinamômetro, alguns dos principais testes realizados em motores de combustão interna e técnicas de controle e instrumentação que estão sendo desenvolvidas por pesquisadores sobre o tema de controle de dinamômetro para testes de motores de combustão interna. O projeto surgiu com a necessidade do Laboratório de Motores da UFRGS realizar vários testes em motores a combustão tendo uma maior confiabilidade e rapidez para aquisição dos resultados. Este sistema está baseado num microcontrolador da família Atmega onde foram implementados os algoritmos de um controlador PID e um proporcional, que controlam respectivamente, os níveis de corrente contínua aplicadas no dinamômetro e o percentual de abertura da borboleta do motor combustão através de um motor de passo. A etapa de controle é executada no microcontrolador e uma interface gráfica foi implementada em Labview. Esta interface gráfica faz a leitura via porta serial dos dados do microcontrolador e traça suas curvas as salvando em arquivo, também se pode visualizar os sinais das temperaturas do motor e dinamômetro e nível de combustível do reservatório. A validação do controle desenvolvido foi comprovada através da verificação da convergência dos sinais para os valores de referência desejados. O controle propiciou também uma diminuição dos tempos para obtenção das respostas desejadas em comparação com o sistema anterior de controle manual.

This paper describes the development of a torque and rotation speed closed loop control system for internal combustion engine tests in a bench using a Foucault current dynamometer. A bibliographical review that encompasses basic dynamometer theoretical concepts, some of the most important tests applied to internal combustion engines, and control and instrumentation techniques currently under development on dynamometer testing for internal combustion engines is presented. This project needs to perform tests in combustion engines which would produce more dependable and faster results. The system herein developed is based on an Atmega-type microcontroller where algorithms of both a PID and a proportion controller, controlling respectively the levels of direct current applied through the dynamometer coils and the opening of an internal combustion engine throttle body by means of a step motor, were implemented. The control stage was done in the microcontroller and a graphic interface for a personal computer was created in Labview. This graphic interface facilitates the microcontroller data reading and traces its curves, saving them in a file; also, the engine and dynamometer temperature signals and the tank fuel level can be visualized. The validation of this control has been proved by the signal convergence check for desired…

Advisors/Committee Members: Perondi, Eduardo André.

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O avanço no estudo da simulação numérica somado ao crescimento da capacidade computacional tem possibilitado a solução numérica de problemas de engenharia cada vez mais complexos. Modelos numéricos mais acurados e robustos têm sido desenvolvidos, aproximando os resultados numéricos dos experimentais. Neste caminho, o presente trabalho tem como objetivo a análise numérica comparada a dados experimentais de ondas de pressão na admissão de ar de um motor de combustão interna, se utilizando do método dos volumes finitos. Para isso, utilizou-se a pressão colhida experimentalmente na porta da válvula como condição de contorno e obteve-se a pressão nos pontos de monitoramento ao longo do domínio. Esta situação física trouxe diversos problemas a serem solucionados ao longo da história, sendo então resolvido no presente trabalho se utilizando do esquema de Runge-Kutta para integração explícita no tempo fictício e do esquema Three-Point Backward Difference (BDF2) para integração implícita no tempo físico. Isto é, se utiliza do Dual Time-Stepping (DTS) na integração temporal, pois usa a matriz de pré-condicionamento para condicionar a solução do problema para escoamentos compressíveis e incompressíveis em todas as velocidades, e esta matriz deteriora a acuracidade temporal que é devolvida pelo DTS. O tratamento dos fluxos invíscidos foi baseado no método da separação dos fluxos de Roe, através do pacote computacional Star CCM+. Percebeu-se que o método se encaixa muito bem na situação estudada, modelando o comportamento físico realisticamente. A velocidade de propagação das ondas de pressão e suas amplitudes são muito próximas dos valores experimentais, tendo os gráficos de seu comportamento em todos os pontos de monitoramento, boa concordância com os gráficos gerados experimentalmente.

The advance in the field of numerical simulation added to the growth of computational capability has enabled the numerical solution of engineering problems become more and more complex. More accurate and robust numerical models have been developed, approximating the numerical and experimental results. In this way, this work aims at the numerical analysis compared to experimental data of pressure waves in the air intake of an internal combustion engine, using the Finite Volumes Method. The pressure is experimentally measured in the valve port and inserted as a boundary condition to obtain the pressure in the monitoring points along the domain. This physical situation has brought many problems to be solved throughout history. The present work applied the Runge-Kutta explicit integration in pseudo-time and Three-Point Backward Difference (BDF2) for implicit integration in physical-time. It is used the Dual-Time Stepping (DTS) for temporal integration, and the preconditioning for incompressible and compressible flows at all speeds deteriorates the temporal accuracy which is returned by DTS. The treatment of inviscid flows was based on the Flux Difference Splitting scheme of Roe, through the computational package Star CCM+. The method fits very…

Advisors/Committee Members: Vielmo, Horacio Antonio.

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A velocidade de propagação da chama em motores ciclo Otto é determinante das características do combustível, sendo fundamental seu conhecimento para um melhor ajuste do par motor/combustível. Maior velocidade de propagação da chama possibilita aumentar a potência com o aumento da rotação do motor. Assim, pode-se inclusive atrasar o avanço de ignição, com isto, menor será o trabalho negativo necessário para comprimir a mistura já em combustão antes do Ponto Morto Superior, e, maior será a eficiência do ciclo. A velocidade de propagação da chama é fortemente influenciada pela relação de compressão, condição de mistura, turbulência e avanço de ignição. Este trabalho tem como objetivo analisar a influência destes parâmetros de operação na velocidade de propagação da chama em um motor CFR (Cooperative Fuel Research). Para tanto são apresentados resultados experimentais de medidas de ângulo entre o momento de ignição do combustível e a detecção da chama na extremidade oposta da câmara de combustão por um sensor de ionização em um motor CFR. Também é mapeado o trabalho no diagrama pressão versus volume, que permite a avaliação do trabalho líquido produzido por ciclo e disponibiliza o valor do pico de pressão, o ângulo em que este ocorre, a pressão média efetiva e a curva de fração mássica queimada para cada condição ensaiada. Apresenta-se as análises da variação do ângulo de combustão tanto do MTBE quanto do isooctano em 5 diferentes avanços de ignição. Para o ensaio com etanol hidratado são apresentadas as análises realizadas com 6 relações de compressão, 5 avanços de ignição e 5 relações ar-combustível, onde todos os valores destes parâmetros em estudo abrangem faixas típicas de operação de motores comerciais. Os resultados indicam um menor ângulo de combustão para relações de compressão elevadas, condição de mistura ligeiramente rica e elevados avanços de ignição.

The flame speed propagation in Otto cycles engine is a conclusive fuel feature, whose knowledge has a fundamental importance for a better accuracy of the pair engine/fuel. The higher flame speed propagation enables a greater cylinder filling, which can also increase power with improvements in engine speed, as a result holding back the ignition advance. Thus, it will be necessary a lower negative work to compress the mixture already in combustion before the top dead center, then resulting a greater efficiency cycle. The flame speed propagation is highly influenced by the compression ratio, mixture condition and ignition advance. This thesis proposes to investigate the influence of these operational parameters over the flame speed propagation in a CFR engine [Cooperative Fuel Research]. In this way, the angle measurements are performed between the fuel ignition timing and the flame detection over the opposite edge of combustion chamber by a ionization sensor in a CFR engine, as well as the diagram work pressure versus volume, which allows the net work evaluation produced by cycles and available the high pressure value, the angle with this occurs, the mean…

Advisors/Committee Members: Mello, Pedro Barbosa.

▼ En este trabajo de tesis doctoral, se realiza un estudio comparativo teórico y experimental entre dos tipos de tecnologías de gasificación de biomasa, determinando su viabilidad técnica, económica y ambiental para la producción de energía eléctrica en aplicaciones de baja potencia (inferiores a 100 kW). Los tipos de tecnologías seleccionadas están entre los de mayor interés en el campo de la gasificación de biomasa: lecho fijo downdraft y lecho fluido burbujeante. La mayoría de los resultados presentados en este trabajo, comparando las dos tecnologías, fueron obtenidos de manera experimental. Aunque más costosos, los experimentos proporcionan datos de diseño más fiables que los que se pueden obtener a través de la modelización o simulación, esto sin tener en cuenta que las reacciones que se llevan a cabo en el reactor son complejas y difíciles de modelar, sobretodo en la fase de conversión de sólido a gas, además, la mayoría de los modelos se enfocan en la producción y composición del gas sin tener en cuenta tanto la generación de alquitranes y residuos sólidos como su separación del gas, tan esenciales como el propio proceso de generación del gas. Todos estos hechos han obligado a centrar el estudio comparativo en la verificación experimental del comportamiento de ambos tipos de gasificadores, para lo cual se diseñó, construyó y puso en operación un prototipo con una potencia eléctrica del orden de 10 kW para cada una de las dos configuraciones a estudiar. También se aborda en el presente trabajo el problema de limpieza del gas y la separación de los residuos, especialmente alquitranes, generados en el proceso de gasificación. Para cada uno de los dos tipos de tecnologías estudiadas se ha definido y probado un tipo de sistema de limpieza de gases diferente, utilizando en ambos casos lavadores húmedos de gases y filtrado por medio de astillas, aunque con modos de operación diferentes. El estudio experimental permitió determinar la configuración óptima con la cual se obtiene un gas adecuado para ser quemado en un motor de combustión interna, éste es uno de los problemas más importantes a considerar en una planta de gasificación, debido al coste y el consumo de energía adicional que conllevan estos sistemas. En el aspecto de viabilidad económica se determinó, a partir de los gastos de construcción de los prototipos, que las plantas de generación de energía mediante la gasificación de biomasa con potencias inferiores a 50 kW no son económicamente rentables en España, salvo en condiciones muy restrictivas de bajo coste de la biomasa (inferior a 0,03 ¿/kg) y/o elevada subvención que permitiese un precio de venta superior a 0,2 ¿/kWh. Descartando la conexión a red de una planta de gasificación de baja potencia, se consideró su utilización en zonas no interconectadas, comparando los costes de generación de energía en dicha planta con los de las plantas que operan con gas natural o gasoil, se ha determinado que es más rentable la planta de gasificación, por lo tanto sería una alternativa para la generación de energía… Advisors/Committee Members: Pérez-Navarro Gómez, Ángel (advisor).

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A potência em um motor de combustão interna depende, dentre outros parâmetros, da proporção da reação da mistura oxidante/combustível. Esses reagentes são oriundos de hidrocarbonetos e do oxigênio disponível no ar atmosférico. Para cada tipo de combustível utilizado, a mistura apresenta diferentes curvas de desempenho do motor, cuja máxima potência disponibilizada está diretamente relacionada ao valor e à posição da pressão desenvolvida no cilindro em cada ciclo. A posição da máxima pressão deve ser ajustada na melhor condição de aproveitamento do mecanismo biela/manivela a partir da variação do ponto de ignição. O valor da pressão varia, fundamentalmente, com a eficiência de conversão de combustível, com a variação do número de mols proveniente da combustão, com a entalpia de vaporização, com a temperatura de funcionamento do motor, e com a relação entre o carbono, o hidrogênio e o oxigênio existente na molécula. Com a finalidade de verificar o ponto de máxima potência desenvolvida no motor em relação à mistura ar/combustível, foram levantadas curvas de potência para cinco combustíveis, quais sejam: gasolina montadora e condensado, etanol (álcool hidratado 98%), tolueno e mtbe. O fator que estabelece a proporção da mistura ar/combustível real na combustão com a mistura quimicamente balanceada (estequiométrica) é designado por λ. Utilizou-se valores de λ >1, caracterizando a mistura pobre, até os valores de λ <1, os quais permitem o funcionamento do motor em condição de mistura rica. Os experimentos foram realizados em um motor ciclo Otto quatro cilindros, montado em um dinamômetro elétrico e monitorado por uma injeção eletrônica programável. O objetivo deste trabalho foi o de estudar, a partir de dados experimentais, a influência de λ na potência efetiva do motor. Os valores de λ de maior potência obtidos ficaram entre 0,85 e 0,90 podendo servir de parâmetro para o mapeamento da injeção de combustível na condição de aceleração do veículo quando se fizer necessário imprimir a máxima potência. A aquisição de tais valores pode auxiliar ainda no desenvolvimento de novas misturas de combustíveis, em que se procura maior desempenho do motor para competições automobilísticas.

The power developed in an internal combustion engine depends, amongst other parameters, on the ratio oxidizer/combustible. These reagents are deriving of hydrocarbons and atmospheric air. For each type of used fuel, the mixture presents different types of performance curves for the same engine, whose maximum available power is directly related to the value and the crank position of the maximum pressure developed in the cylinder, in each cycle. The crank position of the maximum pressure must be rightly placed, with ignition timing changes, in order to get the best exploitation of the rod/crankshaft mechanism. The value of the pressure varies, basically, with the fuel conversion efficiency, with the mole number variation due to combustion, with the enthalpy of formation, the engine’s operating temperature and with the relation between carbon,…

Advisors/Committee Members: Mello, Pedro Barbosa.

▼ Esta dissertação teve como objetivo o desenvolvimento, projeto e integração de um sistema mecânico para variação de caudal em bombas de óleo de cilindrada fixa para utilização preferencial em veículos automóveis ligeiros. Para este desenvolvimento tomou-se como referencial de funcionamento e geométrico uma bomba de óleo de cilindrada fixa disponível comercialmente utilizada em veículos ligeiros, à qual foi integrado um sistema de variação contínua de velocidade. Esta integração permite variar a velocidade do módulo de bombagem, constituído por duas engrenagens e um corpo de geometria fixa, de forma independente da velocidade de rotação/acionamento do motor. A variação de velocidade do módulo de bombagem possibilita um ajuste do caudal de óleo debitado pela bomba às condições de funcionamento do motor, evitando-se o desperdício de caudal para as rotações mais elevadas do motor, característica comum das bombas de óleo de cilindrada fixa convencionais, aumentando-se assim a eficiência da bomba. Inicialmente, realizou-se o enquadramento deste tema a nível tecnológico, ambiental e económico. Descreveu-se os tipos de bombas existentes e seus princípios de funcionamento, vantagens e desvantagens das bombas volumétricas. Realizou-se um estudo de mercado, que permitiu comparar as soluções existentes de bombas de óleo no setor automóvel e procedeu-se a uma pesquisa de patentes com o objetivo de conhecer os mais recentes desenvolvimentos aplicados a estas bombas. Enunciaram-se os conceitos básicos dos sistemas mecânicos de variação contínua de velocidade, enumerando as vantagens e desvantagens de cada um. Procedeu-se à definição das principais especificações técnicas requeridas para a bomba de óleo a desenvolver e à geração de três conceitos de variação contínua de velocidade aplicados à bomba de óleo, realizando-se a sua comparação quantitativa e posterior seleção. Foram estruturalmente dimensionados/verificados analiticamente os componentes mais críticos do sistema de variação de velocidade de modo a avaliar a exequibilidade técnica do sistema tendo em conta as suas compactas dimensões e possível industrialização. Esquematizou-se e dimensionou-se o sistema de controlo do módulo de variação de velocidade com base na pressão de funcionamento do motor. Finalmente realizou-se a modelação geométrica de todos os componentes da bomba por forma a garantir dimensões e arquitetura compatíveis com as bombas comercias. Complementarmente realizaram-se simulações estruturais, com o método dos elementos finitos, dos subconjuntos mais críticos sendo avaliadas em termos dos limites de resistência mecânica dos materiais à fadiga e das pressões limite de contacto desenvolvidos entre os diferentes componentes. Foi realizada a simulação cinemática do conjunto a _m de confirmar o modo de funcionamento combinado do sistema de controlo com o sistema de variação de velocidade. Concluiu-se este trabalho com a execução dos desenhos de conjunto e lista de componentes. O conceito de bomba de óleo desenvolvida responde… Advisors/Committee Members: Completo, António Manuel Godinho (advisor), Melo, Francisco (advisor).

▼ "The following document shows the results of the feasibility of four alternatives that seek to be an additional system in an internal combustion vehicle of a compact car to reduce its fuel consumption. Each alternative focuses on applying a different form of power generation: thermoelectric modules, solar energy, wind energy and kinetic energy by means of piezoelectric. To determine the best alternative, a financial analysis was performed and the environmental impact of each alternative was calculated. In the end, the complexity of implementing these alternatives in financial terms for a particular user was evidenced, but there is also a significant environmental impact. In all cases, the net present value was negative, so that no alternative is viable for a particular user that is financed by its own means. On the other hand, the only case that presented negative results both financially and environmentally is wind energy."  – Tomado del Formato de Documento de Grado. Advisors/Committee Members: Muñoz Camargo, Luis Ernesto, director/asesor. (other).

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O conceito de um motor rotativo de palhetas é apresentado e o modelo que opera similar aos motores recíprocos dois tempos é analisado. Este motor é formado por estator cilíndrico, rotor descentralizado, palhetas radiais e tampas laterais, similar aos compressores de palhetas radiais. Parâmetros geométricos estão definidos para que o motor possua características similares a dois motores recíprocos comerciais igualmente modelados. Suas geometrias estão detalhadas, assim como a modelagem termodinâmica e suas hipóteses, as quais devido ao caráter comparativo do trabalho não têm grande influência no alcance dos objetivos. Em relação aos motores recíprocos, o novo conceito prospecta algumas vantagens: maior compacidade; menor nível de vibrações; maior facilidade de alteração da razão de compressão; possibilidade de produção e montagem em módulos; e devido a todas estas, as maiores possibilidades para o projeto, fabricação, montagem e operação dos motores. Para melhor entendimento de algumas tendências relativas a estas vantagens, a sensibilidade dos parâmetros geométricos é estudada, com variações nos diâmetros do estator e do rotor, na espessura do rotor e das palhetas, na excentricidade entre rotor e estator, e no número de palhetas do conceito. Este estudo demonstra características únicas do motor rotativo de palhetas, dentre elas, a variação da espessura do rotor se destaca por proporcionar a alteração do tamanho do motor sem modificar os demais aspectos. A excentricidade entre o rotor e estator demonstra grande potencial na capacidade de alterar a razão de compressão do equipamento, inclusive podendo ser modificada após a construção do motor ou até mesmo durante sua operação. Também se destaca o número de palhetas, o qual tem influência direta sobre a curva de torque do ciclo e a efetividade do posicionamento das janelas de admissão e exaustão. Com isto, é concluída a caracterização da geometria e do funcionamento do motor rotativo de palhetas, obtendo uma boa base para as próximas etapas de seu desenvolvimento.

The concept of a rotary vane engine is presented and the model that operates similar to twostroke reciprocating engines is analyzed. This engine is formed by a cylindrical stator, decentralized rotor, radial vanes and side housing plates, similar to the radial vane compressors. Geometrical parameters are defined so that the motor has similar characteristics to two commercial reciprocating engines also modeled. Their geometries are detailed, as well as the thermodynamic model and its assumptions, which due to the comparative nature of the work do not have significant influence in achieving the objectives. With respect to reciprocating engines, the new concept is prospecting some advantages: higher compactness; lowest level of vibration; ease of adjustment of compression ratio; possibility of manufacture and assembly in modules; and due to all these, the numerous possibilities to the design, manufacture, assembly and operation of the engines. For a better understanding of some these advantages trends, the…

Advisors/Committee Members: Borges, Volnei.

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Uma nova metodologia para a criação de mapas base de injeção eletrônica de combustível para motores de combustão interna de ignição a centelha é apresentada e seu comportamento é comparado com os resultados fornecidos pela metodologia MVEM. A partir da utilização de equacionamentos da literatura, é feita uma modelagem do ciclo ideal Otto para um motor genérico alternativo monocilíndrico de 500 cm³ de volume deslocado. É modelada também uma válvula do tipo borboleta genérica de 0,06 m³ de diâmetro que opera tanto em regime subsônico quanto sônico. A pressão à jusante da borboleta é calculada para aberturas de 5° a 88,64°. Os modelos são acoplados a partir da vazão mássica de ar admitida, que é o parâmetro principal, sendo programados e simulados usando o programa comercial EES. O mapa base de pressão por abertura de borboleta por rotação resultante mostra o detalhe de descontinuidade pelo uso das equações de vazão mássica juntamente com a imposta pelas equações de coeficiente de descarga, implicando na mudança brusca de valores de pressão calculados para a região de abertura menor que 20%. O mapa de vazão mássica de combustível por rotação e por abertura de borboleta para uma razão estequiométrica de 14,67 também é gerado. Nele é possível observar a demanda por vazão mássica de combustível para cada rotação e abertura da válvula borboleta mostrando o caminho a ser seguido pelo motor para que seja atingida a vazão mássica necessária para obter-se a relação ar/combustível desejada. A metodologia proposta gera mapas base de combustível para módulos de injeção eletrônica. Os resultados são apresentados na forma de gráficos. O modelo produz resultados satisfatórios, reproduzindo o comportamento da válvula borboleta, comparado com a literatura.

A new methodology for EMS base maps to the internal combustion spark ignition engines is presented. Its behavior is compared with results from the MVEM methodology. From the technical literature an ideal Otto cycle for a generic reciprocating single cylinder engine with 500 cm³ of displaced volume. Also, throttle valve with a diameter of 0.06 m of diameter operating in subsonic and sonic flow regime is modeled. The downstream pressure is calculated for throttle openings of 5° to 88.64°. The models are coupled using the engine air mass flow rate as the main parameter, being programmed and simulated using a commercial EES software. The base map of pressure versus throttle opening and engine speed shows the discontinuity detail imposed from the mass flow and discharge coefficient equations, resulting into a abrupt change of pressure values calculated for an opening region less than 20%. The fuel mass flow versus revolutions per minute versus throttle valve opening for stoichiometric air fuel ratio of 14.67 is also generated. In such map it is possible to show the fuel mass flow demand for each rotation and throttle opening showing the path to be followed by the engine to reach the mass air flow needed to reach the target air fuel ratio. This methodology generates base fuel maps for…

Advisors/Committee Members: Mello, Pedro Barbosa.

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Uma maneira ecologicamente correta de manejar os recursos energéticos disponíveis e reduzir as emissões de gases de efeito estufa é utilizar biocombustíveis ao invés de combustíveis de origem fóssil em motores de combustão interna. Entretanto, o preço mais alto dos biocombustíveis pode ser um fator limitante para o aumento e viabilização do seu uso. Em relação ao etanol, para se obter misturas com mais de 80% de etanol em água o custo de produção cresce exponencialmente. Assim, se misturas de etanol com alto percentual de água, de menor custo, puderem ser utilizadas em motores de combustão interna com sucesso, esse combustível pode se tornar mais atrativo e mais amplamente utilizado. Este trabalho analisa o desempenho de um motor de ignição por centelha operando com etanol em diferentes percentuais de hidratação, através de simulações computacionais e procedimentos experimentais. Foi utilizado um motor monocilíndrico de 0,668L e naturalmente aspirado, com relação de compressão de 19:1 e injeção direta em pré-câmara, ciclo Diesel, foi modificado para operação em ciclo Otto - injeção de combustível no duto de admissão e relação de compressão de 12:1. Testes em dinamômetro foram conduzidos com o etanol hidratado comercial (95% de etanol e 5% de água) e com misturas de etanol e água com maiores percentuais de hidratação (conteúdo volumétrico de até 60% de etanol e 40% de água). Simulação computacional através de software de volumes finitos unidimensional foi utilizada para realizar a análise da combustão. Foi possível alcançar operação estável com misturas de até 40% de água em etanol e ocorreu aumento de eficiência térmica para misturas de até 30% de água.

An environmentally friendly way to manage the available energetic resources and to reduce greenhouse gas emissions is to use bio instead of fossil fuels in internal combustion engines. However, the sometimes higher prices of biofuels can be a limiting factor for their widespread and viable use. Concerning ethanol and its production costs, to obtain above 80% ethanol-in-water mixtures demands an exponentially increasing energy supply. Hence, if a low-cost high water content ethanol could be successfully burned in internal combustion engines it would be even more attractive and extensively used. This work analyzes the performance of a spark ignition engine running with ethanol with different percentages of hydration through numeric and experimental simulations. To achieve this goal, a 0,668L naturally aspirated single cylinder engine, with compression ratio of 19:1 and pre-chamber direct injection, operating at Diesel cycle was modified to operate in Otto cycle - port fuel injection, with a compression ratio of 12:1. Dynamometer tests were carried out with commercial hydrous ethanol (95% ethanol and 5% water) and water-in-ethanol blends with higher hydration levels (volumetric content up to 60% ethanol and 40% water). Computer simulation through one-dimensional finite volume software was carried out to perform a heat release analysis. It was possible to achieve…

Advisors/Committee Members: Vielmo, Horacio Antonio.

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Desde o seu surgimento o motor de combustão interna é a alternativa de fornecimento de potência mais utilizada no mundo em veículos de passeio e transporte de cargas. De fato, observa-se no dia-a-dia uma forte dependência da utilização de motores e, atualmente, os estudos visando o seu aumento de eficiência e a diminuição de emissões poluentes estão cada vez mais intensos. Com os grandes avanços ocorridos na disponibilização de computadores, existe uma tendência contínua para a utilização de técnicas computacionais auxiliando no projeto de motores. No entanto, o maior desafio é simular o escoamento altamente tridimensional, turbulento e transiente, com o uso de modelos de turbulência e combustão, que tenham bom compromisso com a física envolvida. Neste âmbito, o presente trabalho tem o objetivo de desenvolver uma validação de metodologias numérica e experimental, para avaliar o comportamento dinâmico e reativo do escoamento em motores de combustão interna. A simulação é aplicada a um motor Honda GX35, que possui vasto uso comercial em roçadeiras, motocicletas de baixo custo e, atualmente, em Veículos Autônomos Não Tripulados (VANT), dentre outros. A análise tem como base soluções numéricas pelo método dos volumes finitos, usando o programa comercial Star-cd/es-ice. Para resolver o escoamento turbulento o modelo adotado foi o k-ω SST, com aproximação para baixo Reynolds e tratamento de parede híbrido. O modelo de combustão ECFM-3Z foi empregado para resolver o escoamento reativo. O combustível utilizado foi metano em mistura estequiométrica. Os resultados numéricos são confrontados com resultados experimentais, com o objetivo de examinar o estado da arte dessas metodologias. Valores transientes de pressão no interior do cilindro, vazão mássica de ar, fração mássica queimada, em relação ao eixo de manivelas e os produtos da combustão são confrontados A presença de recirculações na admissão e no cilindro foram detectadas e discutidas. As evoluções da pressão interna no cilindro e da vazão mássica de ar resultantes da simulação numérica apresentaram um bom comportamento, quando confrontado com dados experimentais. Os resultados da fração mássica de combustível queimado revelam características importantes de funcionamento do motor.

Since its inception, the internal combustion engine is the alternative of delivering power most used worldwide in passenger vehicles and transportation. Indeed, it is observed in day-to-day a strong dependency on the use of engines, and currently studies aiming at its increased efficiency and reduced emissions are becoming more intense. With the great advances in the availability of computers, there is a continuing trend towards the use of computational techniques aiding in the engine designs. However, the main challenge is to simulate the highly three-dimensional, transient and turbulent flows with the turbulence and combustion models, which have good compromise with the involved physics. In this context, this work aims to develop a validation of numerical and experimental methods for…

Advisors/Committee Members: Vielmo, Horacio Antonio.

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Com o crescente aumento dos problemas ambientais relacionados à emissão de poluentes, normas cada vez mais rigorosas estão sendo implementadas para diminuir a emissão de gases nocivos provenientes da queima de hidrocarbonetos em motores de combustão interna. Um importante fator que influencia na geração de gases poluentes em motores é o comportamento do escoamento no cilindro, desde o início da admissão até a fase de combustão. O presente trabalho realiza um estudo numérico com validação experimental do escoamento no motor Honda GX35, considerando diversas aberturas de válvula fixas e diferenças de pressão para gerar o escoamento. A validação da metodologia numérica é realizada através da comparação dos resultados do coeficiente de descarga para todas as aberturas de válvula utilizadas. A medição da vazão de ar na metodologia experimental é realizada com um anemômetro de filme quente de aplicação automotiva, calibrado para as condições do teste. Já a metodologia numérica utiliza dois modelos de turbulência, k-ω SST e k-ε standard. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os experimentais para ambos os modelos adotados, quanto ao coeficiente de descarga. Entretanto, a diferença de comportamento do escoamento no interior do cilindro é elevada, pois o modelo k-ω SST é capaz de captar a oscilação transiente do jato que se forma na saída da válvula, inexistente no k-ε standard. O comportamento transiente causa uma significativa variação da vorticidade média em um plano perpendicular ao cilindro, com o escoamento trocando de direção principal de rotação em alguns instantes. Dados numéricos médios e de variação ao longo do tempo para swirl e tumble também são apresentados e discutidos. Ao analisar a oscilação da vazão mássica na fronteira de saída do domínio, frequências de aproximadamente 1300 Hz são captadas. Tais frequências são confrontadas com resultados experimentais obtidos pelo presente grupo de pesquisa para medições de oscilação de pressão no coletor de admissão do mesmo motor. O desvio percentual relativo para a frequência de oscilação é de 0,3%, o que demonstra a correta predição, tanto do fenômeno de desprendimento de vórtice quanto do coeficiente de descarga obtido através do modelo de turbulência k-ω SST.

With the increasing environmental problems concerning pollutant emissions, stringent standards have been applied in order to decrease harmful gases produced by the hydrocarbons combustion in internal combustion engines. The flow behaviour within the cylinder is an important factor that affects the emission’s formation in engines, since the intake stroke until the combustion. This work performs a numerical study with experimental validation of fluid flow at Honda GX35 engine, considering different fixed valve lifts and suction pressures to generate the flow. The validation of the numerical methodology is made through the discharge coefficient and flow pattern comparisons for all valve lifts utilized. The mass flow rate in the intake system is measured with an automotive hot film…

Advisors/Committee Members: Vielmo, Horacio Antonio.

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Com os grandes avanços ocorridos na disponibilização de computadores, existe uma tendência contínua para a utilização de técnicas computacionais auxiliando no projeto de equipamentos de engenharia. Cada vez mais estão se obtendo resultados bastante próximos às condições reais, incluindo a simulação de motores de combustão interna. Neste sentido o presente trabalho tem o objetivo de analisar o escoamento turbulento no processo de admissão de ar em um motor operando em ciclo Diesel. A investigação é focada na determinação da influência do passo de tempo no cálculo do coeficiente de descarga e razão de swirl. Adicionalmente, o campo de velocidades, pressão, energia cinética turbulenta e outros parâmetros são apresentados e analisados, com o objetivo de auxiliar no entendimento da dinâmica envolvida. Essencialmente, dois modelos de turbulência são empregados, juntamente com dois tratamentos de parede. Seus resultados também são confrontados e discutidos. A geometria considerada é de um motor Fiat 1.9 L quatro tempos com duas válvulas. A análise é concentrada em um único cilindro. O pacote computacional utilizado é o Star-cd, e seu aplicativo es-ice. A independência de malha foi obtida, chegando a 1.672.056 volumes. Os resultados são apresentados de duas formas. A primeira delas refere-se a resultados de simulações em regime permanente, realizadas em boa parte por outros autores, com ênfase na determinação do coeficiente de descarga e razão de swirl, estes confrontados com valores experimentais, visando à validação da metodologia. Fica evidente a importância da escolha do modelo de turbulência na simulação de motores de combustão interna, assim como das funções de interpolação utilizadas. Na segunda parte os resultados referem-se a uma análise transiente, considerando o movimento do pistão e válvulas, a 1500 RPM. Observa-se a grande exigência quanto ao passo de tempo requerido no transiente real, ficando demonstrado que para esta velocidade o menor passo de tempo utilizado, 0,05° (5.5555E-6 s), ainda é insuficiente para alguns momentos do ciclo. É possível notar maior influência no coeficiente de descarga do que na razão de swirl, em relação aos passos de tempo utilizados. A forte dependência do modelo de turbulência nos resultados obtidos é mais uma vez confirmada, conforme o esperado, já que as hipóteses sobre a física do fenômeno são diferentes em cada modelo. Os resultados quanto ao tratamento na parede não apresentaram significantes diferenças, quando aplicados junto ao modelo de turbulência k-ω SST.

Considering the increase in the availability of computers, there is a continuing trend toward the use of computational simulation aiding in the design of engineering equipments. Reasonable results, close to the real conditions, are obtained, including the simulation of internal combustion engines. In this way, the present work has the objective of analyzing the turbulent flow in the air intake process of an engine operating in Diesel cycle. The investigation focuses on the determination of the time step in the…

Advisors/Committee Members: Vielmo, Horacio Antonio.