Motores do ciclo Diesel são extensivamente empregados em aplicações automotivas devido a sua significativa vantagem em relação ao consumo de combustível e a sua confiabilidade. Nos últimos anos, houve um aumento da consciência em relação ao meio ambiente nas nações industrializadas, que conferiu mais importância ao controle das emissões. Os poluentes mais críticos são os óxidos de nitrogênio e o material particulado, devido a dificuldade em reduzi-los simultaneamente sem comprometer o desempenho dos motores. O principal objetivo deste trabalho é utilizar os conceitos obtidos a partir dos mais modernos métodos experimentais para implementar um novo modelo fenomenológico da emissão de material particulado que seja flexível, não seja computacionalmente dispendioso, mas mantenha satisfatória fidelidade com os fenômenos estudados. O modelo é desenvolvido em uma estrutura modular, no ambiente Matlab-Simulink, para ser uma nova ferramenta para pesquisadores investigarem condições de operação que reduzem a emissão de material particulado. As informações necessárias para o modelo são: pressão na câmara de combustão, vazão em massa de combustível injetado, velocidade de injeção, temperatura média da câmara, taxa de liberação de calor e as características do injetor. Com estas informações o modelo é capaz de descrever as principais características do spray, como seu ângulo, o comprimento do spray líquido e o comprimento de "Lift-Off", bem como as temperaturas em algumas regiões do spray. O modelo também determina o histórico da massa de material particulado na câmara de combustão e a massa de material particulado que deixa a câmara. Os resultados da aplicação do modelo tanto a um motor monocilíndrico de pesquisa, como a um motor veicular completo, apesar de não reproduzirem de forma perfeita os valores medidos, mostraram claramente uma razoável conformidade e o grande potencial de expansão do novo modelo proposto.

O trabalho apresenta uma análise experimental da distirbuição do tamanho das gotas do spray, gerado pelos injetores de um motor de combustão interna, através da técnica interferométrica a laser com o equipamento Malvern Mastersizer. Foi utilizado um motor diesel com gerenciamento eletrônico da injeção, do qual se derivou um dos tubos de alta pressão para alimentar o conjunto porta-injetor de teste, montado em uma câmara pressurizada com gás inerte, provida de janelas transparentes. A montagem permite o funcionamento autônomo do motor sobre uma base móvel, montada junto a um pórtico no qual o equipamento Malvern Mastersizer foi instalado, de maneira que a câmara fique posicionada na área de amostragem do equipamento, entre o emissor e o receptor do feixe de laser. Com o motor funcionando em regime de marcha lenta, com pressões de injeção da ordem de 280 . 105 Pa, é acionado o comando de uma das unidades injetoras, que assim promove a injeção na câmara de teste. Simultaneamente é iniciada a medição com o equipamento Malvern, que fornece a distribuição volumétrica contínua do tamanho das gotas. É feita também uma análise teórica do spray dos injetores, através de uma função simples de distribuição do tamanho de gotas derivada da aplicação do Princípio da Máxima Entropia, considerando a normalização da função distribuição de probabilidade e o princípio da conservação de massa. O método experimental mostrou-se satisfatoriamente apropriado para a análise dos injetores. A ferramenta teórica, apesar de não ser diretamente comparável com o método experimental, mostrou-se capaz de definir apenas o pico máximo da distribuição do tamanho de gotas do spray.

Um sistema de detecção de falhas deve incorporar técnicas de raciocínio que possam identificar um sinal de falha sob condições de incerteza. Nesse contexto, os modelos explorados na teoria de sistemas inteligentes, configurados para detectar falha, apresentam maior confiabilidade e versatilidade do que os modelos matemáticos convencionais. Este trabalho focaliza o estudo de caso de detecção de falhas em motores de combustão interna a pistão, em que foi escolhida a abordagem utilizando lógica nebulosa (fuzzy logic) na elaboração dos detectores de falhas no sistema de injeção e no sistema de ignição. Foram consideradas falhas no sistema de injeção as condições denominadas "mistura rica" e "mistura pobre", relativas às condições do combustível, e as falhas no sistema de ignição as do tipo detonação e rendimento térmico baixo. Essas falhas podem ser responsáveis por comprometer o desempenho do motor, reduzir a sua vida útil, aumentar os custos de manutenção e a emissão de poluentes e colocar em risco a segurança de pessoas. No sistema em foco, os detectores de falha de injeção e de ignição detectam a condição de falha através da observação das seguintes variáveis: ângulo de ignição, rotação e taxa de mistura ar/combustível. Para avaliar o sistema foi desenvolvido um simulador que incorpora a dinâmica do motor, um controlador e o sistema detector de falhas. O modelo do motor de combustão interna a pistão, elaborado dentro do ambiente computacional AMESim 4.2.1, considera uma configuração de quatro cilindros, oito válvulas, quatro sistemas de injeção indireta (um para cada cilindro), ignição por centelha, válvula borboleta, válvulas de admissão e escape, árvore de manivela e outros componentes que compõem um motor de combustão interna. Para controlar as variáveis do modelo no programa AMESim a uma dada condição de operação, o simulador apresenta uma unidade de controle, a qual recebe o sinal de pressão média efetiva, disponível no modelo do motor (ambiente AMESim) e o sinal de carga variável, com o objetivo de calcular a rotação responsável em definir a condição de operação do motor. Uma vez calculada a rotação, a unidade de controle calcula a vazão de combustível que é injetado no motor, o ângulo de abertura da válvula borboleta que proporcionará o estado de aceleração e desaceleração e o ângulo de ignição que indicará o momento da centelha. A unidade de controle e os detectores de falhas foram elaborados no ambiente computacional MATLAB 6.5/Simulink. O funcionamento combinado, via interface de comunicação dos dois ambientes computacionais, propicia uma representação adequada e resultados próximos às características de um motor de combustão real. Ao detectar as falhas provocadas intencionalmente no simulador a abordagem utilizando a lógica nebulosa apresentou resultados satisfatórios, com uma margem de erro de 0% na detecção de falhas no sistema de ignição e uma margem de erro no máximo de 5% na detecção de falhas no sistema de injeção, comprovando-se, assim, a adequação e viabilidade da proposta.

O objetivo do seguinte trabalho é um novo modelo de câmara de combustão do tipo RQL ("Rich-Quench-Lean" na língua inglesa) para turbinas a gás. A combustão acontece em duas fases; a primeira com deficiência de oxidante ou rica em combustível, e a segunda é pobre em combustível. Esta estrutura de combustão permite a conciliação de baixas emissões de NOx e produtos de combustão de oxidação parcial, como monóxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados e fuligem. A idéia dos combustores RQL tradicionais é a injeção estagiada de combustíveis através da câmara, criando algumas regiões de combustão desfavoráveis à formação do NOx. Mas no novo conceito aqui proposto, essas condições não favoráveis à formação do NOx são alcançadas através do controle da dinâmica da mistura entre os reagentes no interior da câmara, favorecendo algumas vantagens em relação ao processo RQL tradicional. Entretanto, para a combustão pobre na câmara secundária, dependendo dos parâmetros de operação, algumas oscilações acústicas ocorrem. Portanto, o presente trabalho trata da influência desses parâmetros operacionais: razão de equivalência, número de Reynolds do jato de combustível, número de "swirl", e razão comprimento/diâmetro da câmara primária (L/D), sobre as instabilidades acústicas. Os resultados mostram que aumentando o número de "swirl", e reduzindo o número de Reynolds do jato combustível, as oscilações de combustão podem ser atenuadas. Além disso, a mais alta razão L/D investigada foi 3, e para esta situação bons resultados foram observados para atenuação de instabilidades. Apesar das dificuldades para entender o complexo fenômeno de instabilidade de combustão, este trabalho apresenta algumas recomendações para controlar as oscilações em câmaras de combustão do tipo RQL para turbinas a gás.

Propulsores de baixo empuxo possuem a proteção térmica da superfície interna da parede provida pela redução da carga térmica dos gases quentes por meio de um filme líquido de combustível injetado, paralelo e junto à parede. A carga térmica transferida para a parede pode ser determinada conhecendo o coeficiente de transferência de calor por convecção na camada limite. Ambos, o perfil de temperatura do filme de combustível e o perfil do coeficiente de transferência de calor, são difíceis de serem quantificados e possuem grandes incertezas na determinação por meio teórico ou experimental. Determinar o comportamento de ambos os perfis térmicos é muito importante para o projeto e para a escolha do melhor material a ser usado na parede do propulsor. Este trabalho apresenta a técnica do problema inverso usada na determinação dos perfis do filme de combustível e do coeficiente de transferência de calor para a parede de um propulsor de 200N de empuxo, onde através de um perfil de temperatura da superfície externa da parede do propulsor como dado de entrada, os perfis térmicos desejados podem ser determinados. Um algoritmo híbrido composto por GEO4 (Otimização Extrema Generalizada), baseado na técnica da evolução natural somado a um EE (Estratégias Evolutivas) que incluem a auto-adaptação como principal característica, será usado como um algoritmo de otimização associado a um programa de simulação térmica. Casos simulados para a condição de regime permanente e transiente serão estudados usando o Inconel 600 e o Nióbio como materiais de parede. Os resultados obtidos mostram que a técnica do problema inverso apresenta-se como uma boa ferramenta para a solução do problema proposto. Além disso, possibilita o estudo das temperaturas da parede em várias condições de transientes térmicos para simular em que condições a temperatura limite da parede é alcançada, contribuindo para a segurança nos projetos de propulsores.

O injetor é considerado um dos principais componentes de um motor foguete a propelente líquido (MFPL), sendo o responsável pela atomização e qualidade da mistura dos propelentes na câmara de combustão de um MFPL. O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma metodologia de cálculo com a finalidade de se obter um modelo de injetor gás líqüido. Através de equações, obtêm-se os parâmetros principais do injetor, tais como: diâmetros dos orificios de entrada de propelente no injetor, coeficientes de perdas hidráulicas do propelente durante a passagem pelo injetor, números e comprimento dos canais de injeção, entre outros. Com análises em laboratório, conseguiu-se obter os principais parâmetros de desempenho do injetor tais como: distribuição de massa na câmara de combustão, vazão mássica e ângulo do cone de saída do fluido atomizado e, assim, analisar experimentalmente os resultados obtidos. Tendo como conclusão principal, que o modelo de injetor proposto nesta dissertação se encontra dentro do esperado, ou seja, o atomizador é eficiente para gerar um spray que atenda satisfatoriamente uma situação de combustão. Caso o leitor opte por trabalhar com injetores gás líqüido, este trabalho poderá ser utilizado como referência bibliográfica.

O injetor tem uma função importante introduzindo os propelentes no interior da câmara de combustão, fazendo com que os líquidos sejam divididos em pequenas gotículas (atomização), distribuindo e misturando o oxidante e o combustível na proporção correta e nas condições adequadas, para produzir um eficiente e estável processo de combustão. O presente trabalho teve três objetivos: ensaiar um injetor centrífugo a bipropelente líquido criogênico utilizando etanol como combustível e oxigênio líquido como oxidante, em uma pequena câmara de combustão, visando atingir 10 bar de pressão de combustão, determinando sua velocidade característica; Testar um ignitor ressonante externo a câmara de combustão, abaixo da tubeira; e apresentar um novo projeto de cabeçote injetor para a continuação do estudo da combustão. O ignitor ressonante foi posicionado do lado externo da câmara de combustão. Seu bocal de saída de chama foi direcionado para a garganta da tubeira 36 em relação a horizontal, nesta configuração o ignitor ressonante iniciou a combustão no interior da câmara mostrando-se adequado para os experimentos. Três ensaios de combustão foram efetuados apresentando alguma instabilidade de combustão, porém não prejudicou a condução dos experimentos. O ensaio 01 alcançou a pressão de combustão de 10 bar, porém não foi mantida. A pressão de combustão média na faixa de tempo escolhida foi de 7,6 bar, alcançando a velocidade característica máxima de 945,2 m/s. A baixa velocidade característica observada nos ensaios indica que a combustão do etanol não foi completa. Após os ensaios com combustão, o elemento injetor 01 foi retirado do cabeçote, apresentando-se em perfeitas condições sem queima erosiva. O novo cabeçote projetado teve sua concepção baseada em todas as considerações e requisitos elencados. Todos os componentes do cabeçote Quatrele foram modelados em CAD CATIA V5 apresentando menor massa estrutural e maior volume para o oxigênio líquido, em comparação ao cabeçote 03 e elemento injetor 01.

A significant part of the world economy depends on stationary or vehicular Diesel engines. Such engines are fed mainly by fossil fuels, among these, the standard diesel. The growing interest in renewable energy sources makes the use of ethanol in these engines a real technological demand. From the existing concepts to meet this goal the Diesel-Ethanol in the Dual-Fuel mode has demand for published experimental data. Such concept brings a greater degree of freedom, but implications in technological challenges. It works through a PFI (Port Fuel Injection) system to prepare a pre-mixture of air and ethanol in the intake port which is compressed in the combustion chamber and ignited by pilot injection of diesel. In this work a single cylinder research engine with 100% electronically controlled calibration was used. The engine control parameters were set to maximize diesel substitution rate by ethanol with a limited indicated efficiency loss. Comparisons were made among different working conditions. Initially, the flow structure in the combustion chamber was tested in both quiescent and high swirl modes. Compression ratios were adjusted at 3 different levels: 14:1, 16:1 and 17:1. Two injectors were tested, the first one with mass flow of 35 g/s and another of 45 g/s. Regarding pressure diesel injection, 4 levels were investigated namely 800, 1000, 1200 and 1400 bar. The experiments discussed in this work were able to achieve up to 65% of diesel energy substituted by hydrated ethanol energy with an indicated efficiency of 49%. In comparison with the diesel only running condition, the NOx emissions was improved by up to 60%. But the HC, CO and aldehydes emissions had a penalty, showing a trade-off that shall be further investigated with a final design engine in the beginning of product development process.

O motor a álcool pré-vaporizado tem potencial para ser uma alternativa mais eficiente e menos poluente aos motores a álcool convencionais. Nele, o combustível é vaporizado com calor rejeitado pelo próprio motor e admitido na fase gasosa, aproveitando-se das vantagens dos motores com combustíveis nessa fase sem alguns dos seus inconvenientes. O projeto foi aperfeiçoado buscando viabilidade técnica e econômica para sua instalação em veículos automotores. Água do sistema de arrefecimento cede calor para a ebulição do combustível. As novas tecnologias para injeção de combustíveis gasosos contribuem para esse objetivo, bem como o desenvolvimento de um sistema sustentável e auto-ajustável de geração de vapor de etanol que usa a água do sistema de arrefecimento. Conseguiu-se maior eficiência em quase todos os regimes de funcionamento estudados, bem como meios de reduzir as principais emissões automotivas indesejáveis. / Pre-vaporized ethanol engine (PVEE) has potential to be more efficient and less pollutant than conventional ethanol-powered engines. In it, fuel is vaporized with heat rejected by engine itself and intook in gaseous form, taking advantage of this kind of fuel but without some of its inconveniences. The PVEE project was polished looking for economical and technical liability to future use in automotive vehicles. New gaseous fuel injection technologies contribute to this goal, together the development of a sustainable and self-adjustable ethanol vapor generating system who uses water from engine\'s cooling systems. Better efficiency was achieved in almost all investigated regimes, as well as were found ways to reduce the main undesirable automotive emissions.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2012 / Made available in DSpace on 2013-06-25T23:15:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 313014.pdf: 3684564 bytes, checksum: ff44c9b7795346809bef5e083cc33fe8 (MD5) / O eixo-ferramenta é um elemento crítico para a rigidez em uma retificadora interna, pois sofre acentuada deformação elástica devido à componente normal da força de retificação, resultando em erros dimensionais e de forma no furo usinado. A fim de minimizar estes erros sem comprometer a produtividade do processo tem-se utilizado o controle da força normal, através do qual um controlador impõe um recuo ao eixo-ferramenta, reduzindo seu tempo de relaxação. Neste trabalho foi verificada a influência da deflexão do eixo-ferramenta sobre o comportamento do erro de forma na retificação interna do assento de cilindros de bicos injetores. Foi estabelecida uma relação entre a componente radial da força normal medida por um sistema com transdutores piezelétricos e o correspondente ângulo do assento para peças retificadas com diferentes valores de velocidade de avanço do rebolo. Esta relação foi comparada a outra, fornecida por um modelo analítico de viga em balanço engastada, com geometria e material idênticos ao do suporte de fixação do rebolo. As medições de força apresentaram elevado nível de incerteza devido à pequena magnitude das forças do processo, às forças de inércia decorrentes da movimentação dos eixos da máquina, à baixa sensibilidade dos transdutores e à baixa repetibilidade do procedimento de calibração. As medições de força evidenciaram, para a maioria das peças retificadas, um contato inesperado entre os carros porta-ferramenta e porta-peça antes da etapa de retificação em vazio, cuja causa não foi elucidada. Os sinais de força das peças não influenciadas por este contato apresentaram média 23% maior e dispersão 60% menor que os demais, além de permitirem uma interpretação visual mais fácil. Por outro lado, não foi perceptível uma influência significativa sobre o erro de forma. A utilização da oscilação de processo resultou em reduções de 41% e 54% na força e erro de forma, respectivamente. O modelo analítico propõe um limite de 1,95 N na força normal para que o erro de forma permaneça dentro da tolerância, valor atestado pelos dados experimentais. Confirmou-se matematicamente a relação linear entre o deslocamento da linha elástica da viga e a componente radial da força normal. A rigidez estimada a partir dos dados experimentais é 36% menor que a proposta pelo modelo analítico.<br> / Abstract : Tool spindle is a critical component for the internal grinding machine rigidity, whereas it suffers a substantial elastic deformation due to the normal grinding force, what leads to dimensional and form errors on the machined parts. In order to minimize those errors without losing process productivity the normal grinding force control has been adopted, through a controller imposes a backward movement on the tool spindle, reducing its recovery time. This work analyses the influence of the tool spindle deflection over the form error on the internal grinding of unit-injectors. It was established a relationship between the radial component of the normal force measured by a system with piezoelectric transducers and the corresponding seat angle for grinded parts with several feed rates. Such relationship was compared with another one, obtained by an analytic model of a bending beam with the same geometry and material of the tool shaft. The force measurements showed a high uncertainty level due to the small process forces, inertial forces caused by the machine axis movements, low transducer sensibility and low repeatability of the calibration procedure. The force measurements demonstrated for the majority of grinded pieces an unexpected contact between tool spindle and workpiece spindle prior to the spark-in, whose reason was not discovered. The force signals from the pieces that were not influenced by this contact exhibited a 23% higher mean and a 60% lower variance than the another ones besides an easier visual interpretation. On the other hand no significant influence on the form error was noticed. The use of process oscillation permitted a drawback from 41% on the normal grinding force and 54% on the form error. The analytical model points to an upper limit from 1,95 N for the normal grinding force so that the form error remains within the tolerance - what was attested by the force measurements. It was mathematically proven the linear relationship between normal grinding force and bending beam displacement. The rigidity estimated from the experimental data is 36% lower than that one proposed by the analytical model.