Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2017.

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, hydrogen and the existing oxygen in the fuel’s molecule. With the purpose of verifying the point of highest engine power with relation to the air/fuel ratio, curves of power for five different fuels had been raised. These fuels are: condensed gasoline, OEM gasoline, ethanol, toluen and mtbe. The factor that establishes the air/fuel ratio with the stoichiometric mixture is assigned by λ . Values of λ > 1 characterize lean mixture until the values of λ <1 characterize a rich mixture condition. The experiments had been carried with a four cylinders Otto cycle engine, with programmable electronic fuel injection and ignition control, assembled in an eddy current dynamometer. The objective of this work was to verify, from experimental data, the influence of λ in the engine’s output. The λ values for highest power lie between 0.85 and 0.91, being able to act as an input for tuning the fuel injection system for getting better throttle response and maximum power. The acquisition of such values can still assist in new fuel mixtures development, where increase in power and torque are expected.

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, hydrogen and the existing oxygen in the fuel’s molecule. With the purpose of verifying the point of highest engine power with relation to the air/fuel ratio, curves of power for five different fuels had been raised. These fuels are: condensed gasoline, OEM gasoline, ethanol, toluen and mtbe. The factor that establishes the air/fuel ratio with the stoichiometric mixture is assigned by λ . Values of λ > 1 characterize lean mixture until the values of λ <1 characterize a rich mixture condition. The experiments had been carried with a four cylinders Otto cycle engine, with programmable electronic fuel injection and ignition control, assembled in an eddy current dynamometer. The objective of this work was to verify, from experimental data, the influence of λ in the engine’s output. The λ values for highest power lie between 0.85 and 0.91, being able to act as an input for tuning the fuel injection system for getting better throttle response and maximum power. The acquisition of such values can still assist in new fuel mixtures development, where increase in power and torque are expected.

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, hydrogen and the existing oxygen in the fuel’s molecule. With the purpose of verifying the point of highest engine power with relation to the air/fuel ratio, curves of power for five different fuels had been raised. These fuels are: condensed gasoline, OEM gasoline, ethanol, toluen and mtbe. The factor that establishes the air/fuel ratio with the stoichiometric mixture is assigned by λ . Values of λ > 1 characterize lean mixture until the values of λ <1 characterize a rich mixture condition. The experiments had been carried with a four cylinders Otto cycle engine, with programmable electronic fuel injection and ignition control, assembled in an eddy current dynamometer. The objective of this work was to verify, from experimental data, the influence of λ in the engine’s output. The λ values for highest power lie between 0.85 and 0.91, being able to act as an input for tuning the fuel injection system for getting better throttle response and maximum power. The acquisition of such values can still assist in new fuel mixtures development, where increase in power and torque are expected.

O gás natural vem ganhando espaço na matriz energética mundial, com crescente participação no setor de transportes. Sua utilização em motores de combustão interna traz vantagens quanto à emissão de gases nocivos e à redução do nível de ruído, em comparação ao combustível diesel. Tradicionalmente, o gás é injetado no coletor de admissão, porém existem pesquisas e até mesmo aplicações comerciais de sistemas com injeção direta de combustível gasoso na câmara de combustão. Entre os ganhos potenciais da injeção direta destacam-se o desempenho (pela elevação da eficiência volumétrica do motor) e a possibilidade de estratificação da mistura, que permite reduzir as perdas por bombeamento em cargas parciais. Este trabalho explora as características de um sistema de injeção direta de gás natural para o regime de máxima potência de um motor monocilíndrico de pesquisa de ignição por centelha (ciclo Otto) em avanço ótimo, até o surgimento de detonação leve. São comparados os parâmetros de desempenho, combustão e emissões para diferentes níveis de diluição por ar, na velocidade de 1800 rotações por minuto e com razão volumétrica de compressão constante (13:1). Foram medidas pressões médias efetivas indicadas de 1,15, 1,30 e 1,55 MPa para fatores lambda de 1,00, 1,30 e 1,50 e eficiências indicadas de conversão de energia de 41, 44 e 45% respectivamente. As várias estratégias de injeção estudadas produziram diferentes efeitos no processo de combustão, porém com pouca influência sobre a eficiência de conversão. Observou-se uma pequena tendência de aumento da eficiência volumétrica (cerca de 1%) quando o início da injeção é atrasado em 40 do virabrequim com relação aos casos de referência. Deficiências no processo de homogeneização da mistura para operação em plena carga foram evidenciadas pelo aumento da emissão de CO em regiões próximas à estequiometria, indicando que este sistema de injeção pode estar subdimensionado para esta aplicação.

O aumento da demanda de energia elétrica no Brasil e frequentes interrupções em seu fornecimento incentivaram o crescimento do número de grupos motogeradores na indústria e comércio. A cidade de São Paulo estabeleceu um decreto para que estes equipamentos utilizem combustíveis menos poluentes do que o óleo Diesel, ou adotem sistemas de pós-tratamento de gases, uma vez que não há uma regulamentação nacional para emissões de grupos motogeradores. A disponibilidade de etanol no país e sua consolidação no mercado automotivo o tornam uma alternativa para uso em grupos motogeradores. Este trabalho tem como objetivo caracterizar o desempenho de um motor pesado que opera segundo o ciclo Otto. O mesmo foi desenvolvido para trabalhar com diesel, tem capacidade de 12 litros e foi convertido para operar com etanol sem aditivos, em um motogerador protótipo. O motor estudado foi avaliado em três diferentes altitudes. Um banco de resistências foi utilizado para simular a carga elétrica real em cinco faixas de potência. As características de desempenho obtidas experimentalmente foram comparadas com resultados de um modelo unidimensional utilizando o programa computacional GT-Power. O motor atingiu 39,6% de eficiência em 1.763RPM com pico de potência de 326kW. A potência elétrica máxima atingida pelo motogerador foi de 302kW ao nível do mar e 278kW em altitude aproximada de 1.640m, de acordo com a metodologia utilizada. Os resultados obtidos mostraram a viabilidade do uso do etanol sem aditivos para a geração de energia em substituição ao óleo Diesel em motores pesados, na condição operacional avaliada de regime permanente.

O conjunto válvula e sede de válvula automotiva cumpre a função de garantir a entrada de ar e materiais combustíveis, a saída dos gases de combustão, bem como de garantir vedação no processo de compressão e combustão em um motor de ciclo Otto e Diesel. Para que funcione conforme o rigor de operação com uma queima limpa e baixa emissão de poluentes, é necessário uso de materiais especiais. Temperaturas extremas dos gases de escapamento, aumentos crescentes das velocidades das válvulas e altas pressões são alguns dos parâmetros que ocasionam desgaste nas válvulas. Os materiais usados na sua produção devem ser caracterizados por boa usinabilidade, baixo desgaste, boa resistência mecânica e de fadiga e boa resistência a corrosão em altas temperaturas. Nesse contexto, esse trabalho teve como foco o desenvolvimento de uma bancada e um método para testar novos materiais para válvulas e sedes de válvulas automotivas, por meio de testes de durabilidade que simulam as condições de desgaste do conjunto de válvulas e sedes de válvulas, bem como um procedimento de análise do desgaste e avaliação do seu comportamento sob diversas condições de operação. Para isso desenvolveu-se um equipamento que, de forma sintética, consiste em sistemas hidráulico, de aquecimento, de resfriamento, rotação de válvulas e controle eletrônico que possibilita simular condições de motores de combustão interna, Otto e diesel. O método permite a variação de parâmetros como temperatura, carga, desalinhamento da válvula em relação à sua sede e rotação da válvula. Tanto as válvulas quanto as sedes de válvulas são testadas em suas geometrias finais. Para confirmação da validade científica da bancada e do o método são apresentados os resultados de testes em dois materiais (SAE HNV-3 Sil1 e SAE EV12 21-2N) que são empregados em válvulas automotivas. Com base na análise de variância (ANOVA), verificou-se que a bancada pode ser utilizada na pesquisa destes novos materiais, pois apresentou resultados compatíveis com os encontrados pelos principais equipamentos de testes existentes no mundo; resistência adequada para testes de longa duração; capacidade de realizar ensaios em altas temperaturas e de reproduzir as principais condições operacionais dos motores de combustão interna.

Um motor ciclo Otto funcionando com injeção direta de gás natural, durante o curso de admissão, foi submetido a ensaios de plena carga em um dinamômetro corrente de Foucaut. Os resultados obtidos revelam um aumento de eficiência volumétrica do motor com injeção direta de GNC em relação à injeção indireta de GNC realizada no coletor de admissão, a montante da borboleta do acelerador. Na adaptação para operação com injeção direta de gás natural, as características técnicas do motor não foram alteradas. Um conjunto de injeção direta de gás natural, com gerenciamento eletrônico, foi inserido no cabeçote do motor de testes. Mantendo-se a pressão da linha de alimentação de gás natural constante, através de uma válvula redutora, a quantidade de combustível injetada no cilindro foi ajustada variando-se o tempo de abertura da válvula elétrica injetora de combustível. Dados de desempenho do motor são comparados, destacando-se os fatores que contribuem para este aumento relativo de eficiência volumétrica. Discute-se ainda, modificações a serem implementadas no motor visando maximizar sua potência com injeção direta de gás natural / Otto cycle engine direct injection natural gas, during the inlet stroke, submitted to runs with full power in a Foucaut dynamometer. The results obtained show a increase in the volumetric efficiency of the engine with natural gas direct injection when compared which natural gas injection apllied in the inlet manifold, upstream of the throttle butterfly. ln the conversion to natural gas direct injection, the technical characteristics of the were not changed. A kit for natural gas direct injection, with eletronic managment, was located on the cylinder head of the test engine. Maintaining the pressure constant in the natural gas fuel line, using a reduction valve. The mass of fuel injected into the cylinder was regulated, varying the opening time of the solenoid valve fuel injector. Engine performance data is compared, emphasizing the factors that contribute to this increase in relative volumetric efficiency. Modifications to be made to maximize the power of the engine with natural gas direct injection

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:40:33Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7637_1.pdf: 8527128 bytes, checksum: dfc7e6f1d3aae199c81a9b59ec8ab348 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2005 / Por falta de investimento em geração de energia no setor elétrico nacional, associado ao crescimento da demanda devido ao crescimento da economia brasileira, há uma previsão de um novo racionamento de energia elétrica a partir de 2007. Esta falta de investimento governamental e privado de grande porte torna imperativo que as empresas que não queiram sofrer cortes de produção devido à redução do fornecimento de energia elétrica invistam na geração de energia local. Uma das opções mais importantes para a geração descentralizada de energia é a utilização de grupos geradores utilizando motores de combustão interna. Por isso, é muito importante o conhecimento das condições operacionais de grupos geradores sob diferentes regimes e tipos de carga. Deste modo, este trabalho analisou o funcionamento de um grupo gerador de 30 kWe, visando atender o suprimento de energia elétrica para residências, condomínios e pequenos centros comerciais. O grupo gerador é constituído de um motor, que opera no ciclo Otto e utiliza gás natural como combustível; e um alternador de 37 kVA, sendo acondicionado numa cabine silenciadora. Foi estudada a performance deste grupo gerador operando com cargas elétricas em potências variadas e diferentes tipos de cargas (resistiva, indutiva e desbalanceada). Sob diferentes regimes operacionais foram efetuadas as seguintes atividades: caracterização térmica operacional; verificação da qualidade da energia gerada; verificação dos poluentes gerados e obtenção dos rendimentos térmico e elétrico do grupo gerador. Também foi realizada uma análise econômica baseada nas diferentes condições operacionais deste grupo, ou seja, nas diferentes situações de geração elétrica e finalidades da geração. A análise econômica indicou que o projeto de geração de energia elétrica utilizando grupo gerador pode ser inviabilizado caso opere em condições adversas, ou seja, em cargas parciais e baixo rendimento térmico. Portanto, o grupo gerador deve ser dimensionado para funcionar nas condições ótimas de operação, ou seja, com alto rendimento. Os resultados das análises mostraram as variáveis da operação do grupo em diferentes cargas elétricas, indicando que os gases de exaustão do motor variam em composição de acordo com a carga elétrica gerada. Também foi evidenciado que a carga elétrica gerada tem pouca influência no calor de resfriamento, permanecendo praticamente constante. Porém, a mesma tem grande influência no rendimento do grupo gerador, atingindo 29% de rendimento em carga máxima

Um motor ciclo Otto funcionando com injeção direta de gás natural, durante o curso de admissão, foi submetido a ensaios de plena carga em um dinamômetro corrente de Foucaut. Os resultados obtidos revelam um aumento de eficiência volumétrica do motor com injeção direta de GNC em relação à injeção indireta de GNC realizada no coletor de admissão, a montante da borboleta do acelerador. Na adaptação para operação com injeção direta de gás natural, as características técnicas do motor não foram alteradas. Um conjunto de injeção direta de gás natural, com gerenciamento eletrônico, foi inserido no cabeçote do motor de testes. Mantendo-se a pressão da linha de alimentação de gás natural constante, através de uma válvula redutora, a quantidade de combustível injetada no cilindro foi ajustada variando-se o tempo de abertura da válvula elétrica injetora de combustível. Dados de desempenho do motor são comparados, destacando-se os fatores que contribuem para este aumento relativo de eficiência volumétrica. Discute-se ainda, modificações a serem implementadas no motor visando maximizar sua potência com injeção direta de gás natural / Otto cycle engine direct injection natural gas, during the inlet stroke, submitted to runs with full power in a Foucaut dynamometer. The results obtained show a increase in the volumetric efficiency of the engine with natural gas direct injection when compared which natural gas injection apllied in the inlet manifold, upstream of the throttle butterfly. ln the conversion to natural gas direct injection, the technical characteristics of the were not changed. A kit for natural gas direct injection, with eletronic managment, was located on the cylinder head of the test engine. Maintaining the pressure constant in the natural gas fuel line, using a reduction valve. The mass of fuel injected into the cylinder was regulated, varying the opening time of the solenoid valve fuel injector. Engine performance data is compared, emphasizing the factors that contribute to this increase in relative volumetric efficiency. Modifications to be made to maximize the power of the engine with natural gas direct injection