O processo de admissão e exaustão exercem grande influência no desempenho de um motor a combustão interna. Vários têm sido os estudos para conhecimento e detalhamento do comportamento dos parâmetros que interferem nesses processos, nas últimas décadas. Este trabalho voltou-se principalmente para o ensaio experimental de um motor do ciclo Otto utilizando etanol como combustível, avaliando o desempenho deste motor utilizando três tipos distintos de comando de válvulas e dois coletores de admissão diferentes em sua geometria, além do uso da turbo - alimentação. Numa etapa complementar fez-se uma proposta inicial de simulação numérica do comportamento hidrodinâmico do escoamento na admissão, usando técnicas de CFD, através do software CFX. Os resultados experimentais permitiram apontar o melhor arranjo não só sob o ponto de vista de torque, potência e consumo específico, como também, o que apresentou menor índice de emissões para os gases CO, CO2, NOx, HC. Criou-se um farto banco de dados para subsidiar pesquisas em motores movidos a etanol, material escasso na bibliografia aberta. A simulação numérica apresentou concordância com alguns parâmetros medidos, mas merece ainda alguns ajustes no refinamento da malha, no tempo de simulação, e no número de ciclos ensaiados, para comprovação e maior confiabilidade nos resultados obtidos. / Intake and exhaust process exercise great influence in Internal Combustion Engine performance. The behaviour of parameters that interfere in this process have been studied in the last decades. The mainly goal of this work is to test experimentally a cycle Otto engine that use ethanol as fuel, evaluating its performance using three different types of the camshaft and two intake manifold of different geometry, besides the use of the turbocharger. In addition an initial proposal numeric simulation of the hydrodynamic flow behaviour in intake, using techniques of CFD with the software CFX was made. The experimental results allowed to aim the best arrangement of the torque, specific consumption and power and what presented lower index of emissions for the gases CO, CO2, NOx, HC. A full database was created to subsidize researches in engines powered ethanol. The numeric simulation presented agreement with some measured parameters, but it still deserves some fittings in the refinement of the mesh, in the time step of simulation and in the number of rehearsed cycles, for confirmation and larger reliability in the obtained results.

A acirrada competição no mercado automobilístico, aliada às exigentes legislações de emissão de poluentes, acelera não somente a corrida pelo aumento de qualidade e redução de custo dos produtos, mas também a renovação e redução dos ciclos de vida dos produtos, travando uma verdadeira batalha pelo tempo. É nesse cenário que a aplicação das tecnologias de motor, as técnicas de projeto e de gerenciamento de projeto interagem para desenvolvimento dos novos motores, e o atendimento ou mesmo a superação das metas estará intimamente ligado não somente a competência técnica envolvida, mas também à eficiência dos processos de desenvolvimento de produtos aplicados. Este trabalho propõe um modelo para o processo de desenvolvimento de motores de combustão interna para a indústria automobilística, tomando como base referências bibliográficas e procedimentos e metodologias aplicadas para desenvolvimento de motores em um fabricante de motores diesel levantados a partir de um estudo de caso. Esse processo, associado às sugestões de melhorias, ferramentas e práticas pode ser, de forma conceitual, estendidos ao desenvolvimento de qualquer componente do automóvel, o próprio automóvel ou até mesmo outros produtos manufaturados que agreguem tecnologia e que estejam expostos a um mercado hostil como o automotivo. / The tight competition in the automotive industry, together with stringent pollutant emissions legislations, speeds up not only quality and cost reduction efforts, but also new products development and massive product life-cycle reduction, which leads to an endless war against time. In this environment the engine technologies, engineering methods and tools and project management techniques interact among themselves for new engine developments. As a consequence, the meeting and surpassing of these targets are linked not only to technical competence evolved, but also to product development process efficiency. This study proposes a methodology for engine development process for automotive industry, based on bibliography references and methodologies applied in a diesel engine manufacturer, raised from a Case Study. These processes, methods and procedures, along with improvement suggestions could be, as a concept, used for every automotive component, the vehicle itself and also any other manufactured product which has technology added to it.

Este trabalho foca no desenvolvimento de uma unidade de gerenciamento eletrônico que tem como objetivo controlar um motor de combustão interna do ciclo Otto. Essa unidade é composta por três blocos independentes, onde cada um deles é composto por um hardware e um software específico. O primeiro bloco é chamado de gerenciamento e ele é responsável por ler todos os sinais de sensores, processá-los e criar com isso alguns parâmetros de controle que são transmitidos para o bloco de sincronismo por meio de uma comunicação SPI (Synchronous Peripheral Interface). O bloco de sincronismo por sua vez recebe esses parâmetros com a intenção de controlar as válvulas injetoras e as bobinas de ignição no momento exato para manter o motor em um funcionamento perfeito. O terceiro bloco é chamado comunicação/diagnose, sendo responsável por ser a interface entre o motor e os usuários e desenvolvedores. Portanto, ele monitora algumas informações do motor e as mostram em um display, bem como possíveis falhas que possam ocorrer na utilização dele. Sendo assim, o objetivo principal desse trabalho é mostrar como essa unidade de gerenciamento eletrônico foi desenvolvida, algumas estratégias usadas para controlar o motor e alguns resultados práticos aplicando essa unidade de gerenciamento eletrônico em um motor real montado em uma plataforma de metal chamado mock-up. / This paper focuses on the development of an electronic management unit which has the objective to control an Otto cycle internal combustion engine. This unit is composed by three separated blocks where each one of these blocks is composed by one specific hardware and software. The first block is named management and it is responsible to read all the engine sensors signals, to process these signals and to create with it some parameters of control that is transferred to the synchronism block through a SPI (Synchronous Peripheral Interface) communication. The synchronism block receives these parameters in order to control the nozzles and the ignition coils in the exact moment to keep the engine running perfectly. The third block is named communication/diagnoses and it is responsible to be the interface between the engine and the drivers and developers. So it monitores some engine information and it shows this information in a display, as well some possible faults that can occur with the use of it. Therefore, the main purpose of this work is to show how this electronic control unit was developed, some strategies used to control the engine and some practical results, by applying this electronic control unit in a real engine assembled in an iron base platform, named mock-up.

A rolling piston engine, operating according to a novel thermodynamic cycle is designed. Thermodynamic and structural analysis of this novel engine is carried out and thermodynamic and structural variables of the engine were calculated. The losses in the engine, friction and leakage were calculated and their effects on the engine were demonstrated.

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Micro-cogeneration is one of the technologies promoted as a response to the global call for the reduction of carbon emissions. Due to its recent application in the residential sector, the implications of its usage have not yet been fully explored, while at the same time, the available simulation tools are not designed for conducting research that focuses on the study of this technology. This thesis develops a virtual prototyping environment, using a dynamic multi-physics simulation tool. The model based procedure in its current form focuses on ICE based micro-CHP systems. In the process of developing the models, new approaches on general system, engine, heat exchanger, and dwelling thermal modelling are being introduced to cater for the special nature of the subject. The developed software is a unique modular simulation tool platform linking a number of independent energy generation systems, and presents a new approach in the study and design of the multi node distributed energy system (DES) with the option of further development into a real-time residential energy management system capable of reducing fuel consumption and CO2 emissions in the domestic sector. In the final chapters, the developed software is used to simulate various internal combustion engine based micro-CHP configurations in order to conclude on the system design characteristics, as well as the conditions, necessary to achieve a high technical, economic and environmental performance in the UK residential sector with the purpose of making micro- CHP a viable alternative to the conventional means of heat & power supply.

[pt] A produção simultânea de energia elétrica, calor e frio, a partir da queima de combustível primário (trigeração), pode se mostrar como estratégia promissora do ponto de vista energético e de projeto, principalmente em indústrias como a química e a de alimentos. No presente trabalho descreve-se o estudo experimental de um sistema de produção de água gelada (chiller) com compressor hermético acionado eletricamente. Um motor a combustão interna, do tipo Diesel, foi convertido para operar com gás natural veicular (Diesel- gás) e aciona um gerador de eletricidade que supre a energia elétrica necessária ao funcionamento do chiller e ao atendimento de demanda elétrica préestabelecida. O resultante sistema de trigeração é, portanto, composto por dois sub-sistemas: a bomba de calor (chiller) e o conjunto motorgerador. Calor de rejeito, do condensador do chiller e do sistema de arrefecimento e gases de exaustão do motor, é recuperado para a produção de água quente. O sistema é analisado à luz da 1ª e 2ª leis da Termodinâmica. As razões entre as demandas de frio, calor e eletricidade, as temperaturas de evaporação e de condensação da bomba de calor, e a razão de substituição de óleo Diesel por gás natural veicular são os principais parâmetros de controle dos resultados apresentados. Determinou-se, para o sistema em questão, uma taxa de substituição energética ótima do óleo Diesel por GNV de aproximadamente 25%, com uma economia de 11% a 15% (para geração de potência elétrica acima de 4,0 kW), fundamentada na diferença de preços entre os dois combustíveis e numa melhora do rendimento do motor para estas condições de operação. Obteve-se a contribuição percentual de cada um dos produtos energéticos (frio, calor e eletricidade), em função do consumo de combustível, para as diferentes potências testadas, em função da taxa de substituição energética do óleo Diesel por GNV. Determinou-se, experimentalmente, a vazão de água nos diferentes componentes, para a qual se obtém uma máxima eficiência do sistema, quando analisado do ponto de vista exergético. / [en] The simultaneous production of electric energy, heat and cooling capacity from the primary fuel burning on a heat engine (trigeneration) can emerge as a promising strategy, from the energy and project points of view, mostly, in food and chemistry industries. The present work describes the experimental study of a vapor compression system for chilled water production. A Diesel internal combustion engine was converted to operate with natural gas (Diesel-gas) and drives an electric generator that supplies the necessary electric energy for the chiller`s functioning and to attend the pre-established electric demand. The resultant system of trigeneration is, therefore, composed of two subsystems: the heat pump (chiller) and the engine-generator group. Heat rejected from the condenser of chiller and from the cooling system and exhaust gases of the engine, is recovered for hot water production. The system is analyzed under the light of first and second laws of the Thermodynamics. The ratio between the cooling, heating and electricity demands, the temperatures of evaporation and condensation of the heat pump, and the Diesel-natural gas substitution ratio are main parameters of control of the presented results. The percentile contribution of cold, heat and electricity (on energetic fuel consumption basis), for the different electric energy generation rates, was obtained as a function of the energy substitution rate of the Diesel oil for natural gas. An optimal energy substitution rate of Diesel oil for natural gas of approximately 25% was determined with an economy rated between 11% and 15% (for electric energy generation rates above 4,0 kW), based both on the difference between prices of the two fuels and on the engine`s performance improvement for these operational conditions. An optimum water flow rate, from the exergetic point of view, was found for each component.

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 anemometer, calibrated for the test’s conditions. Regarding the computational solution for the turbulent air flow, two turbulence models were utilized: SST k-ω and k-ε standard. Although the numerical results presented a good agreement with the experimental data concerning the discharge coeficient, the flow pattern comparisons presented a high discrepancy among the models utilized. The SST k-ω model is capable to capture the transient behaviour of the jet formed in the valve exit, constituting the main difference between them. The transient oscillation causes a significant difference of mean vorticity in a cylinder section plane, with the bulk flow changing its main rotation along the time. The averaged and transient numerical data of swirl and tumble are presented and discussed. In the frequency analysis of the numerical mass flow rate oscillations, obtained at the outlet boundary, presented an average value about 1300 Hz. Such frequencies, when compared with experimental results obtained by the present research group for the pulsating pressure waves into the intake duct of the same engine, had a relative percentage deviation of 0.3%. The agreement between the results using the SST k-ω model reveals the correct prediction of vortex shedding frequency and discharge coefficient.

[pt] Os motores de combustão interna de ignição por centelha (M.C.I. - I.C.), operando no ciclo Otto, vêm sofrendo uma série de modificações e aperfeiçoamentos no sentido de melhorar sua eficiência térmica e o seu desempenho. No final dos anos 70, com a crise do petróleo e preocupação maior com o meio ambiente, muita atenção tem sido voltada para a solução desses problemas. Câmaras de queima rápida, ignição eletrônica, injeção eletrônica de combustível e outros, são modificações experimentadas nesse processo de otimização dos motores, cujo rendimento térmico ainda não passa da faixa de 33 por cento. No presente trabalho, foi pesquisado um sistema de múltipla ignição, tendo como parâmetros o número de velas de ignição, disposição das mesmas em relação à geometria da câmara, e ângulos de avanço de ignição. Foram também realizados estudos preliminares para a determinação da relação ar-combustível em função do número de velas. / [en] Spark ignition internal combustion engines, Otto cycle, have been gradually modified and improved so that higher values for thermal efficiency can be obtained. In the late seventies, due to the oil crisis much attention has been devoted to developing clean and more efficient engines. High Speed combustion chambers, electronic ignition, electronic injection among others, have been some of the components used to optimize the engine thermal efficiency, which is presently no more than about 33 percent. In the present research a multiple ignition system has been analysed. Combustion Chamber geometry, ignition advance angle, number of electric sparks and their layout in the chamber, together with the optimum air-fuel ratio are experimentally investigated.