Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-23T13:19:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Fajgenbaum_Renata_M.pdf: 5459929 bytes, checksum: 05a7fae663d15ca13af6858bbe983761 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A motivação em se estudar os fenômenos que acontecem em cada subsistema de um motor de combustão interna ciclo Otto reside na possibilidade de se prever e otimizar seu funcionamento, em especial com os diferentes combustíveis de nova geração que estão sendo inseridos no mercado. O processo de atomização que ocorre nos bicos injetores de combustível, dispositivos integrantes do sistema de injeção eletrônica do motor, apresenta forte relação com a posterior reação de combustão e, por conseguinte, com a eficiência térmica do motor. No presente trabalho, experimentos foram conduzidos para investigar o efeito da temperatura do líquido em parâmetros de atomização de um atomizador do tipo mecânico-centrífugo utilizado em bicos injetores de combustível automotivos. O aparato experimental consistiu de uma bancada de injeção de combustível conectada a um sistema de controle de calor, este com objetivo de variar a temperatura do combustível. Os parâmetros de atomização foram avaliados por meio da técnica de Shadowgraphy, a fim de se medir diâmetro de gotas, distribuição de partículas e campo de velocidades. Gasolina e etanol em diferentes temperaturas foram usados para fornecer variação nas propriedades do líquido, ambos com a mesma pressão de injeção. Os resultados de tamanho de gota foram dados, principalmente, em termos de Sauter Mean Diameter (SMD) e outros diâmetros representativos que se mostraram pertinentes. Todas as medições foram realizadas em duas diferentes distâncias axiais do orifício de descarga. Para as duas distâncias escolhidas, 25 mm e 100 mm, o SMD e a velocidade se mostraram insensíveis à faixa de temperatura testada, devido à baixa variação das propriedades dos combustíveis. Por outro lado, a distribuição das partículas permitiu visualizar o efeito da temperatura nos diâmetros das gotas, mostrando que o aumento da temperatura proporciona diminuição no tamanho das gotas, e o comparativo entre os parâmetros nas duas distâncias axiais permitiu visualizar o efeito da primeira e segunda atomização sobre o spray / Abstract: The motivation in studying the phenomena that happen in each internal combustion engine subsystem lies in the possibility to predict and optimize its operation. The atomization process that occurs in fuel injectors, devices that belong to engine injection system, has a strong relation with the subsequent combustion reaction and thus with the engine thermal efficiency. Experiments were performed to investigate the liquid temperature effect on atomization parameters in an internal combustion engine pressure-swirl atomizer. The experimental apparatus consisted of a flow control rig connected with a heat control system. The flow rig, which is an injection system, was built specifically for that purpose and the heat system goal was to vary the liquid temperature. The atomization parameters were evaluated by means of Shadowgraphy technique in order to measure drop mean diameter, particle size distribution and drop velocity field. Gasoline and ethanol in different temperatures were used to provide variation in liquid properties and the same injection pressure was used for both fuels. The results for drop sizing were expressed in terms of Sauter Mean Diameter (SMD) and the velocity field as well as the particle size distribution measurements were taken in two different axial distances from the nozzle exit. At both distances, 25 mm and 100 mm, SMD and velocity seemed to be insensitive to the range of temperature used because it provided low variation in fuel properties. On the other hand, particle size distribution allowed the visualization of temperature effect on drop diameters, showing that increasing temperatures decrease droplet sizes, and the comparison between two axial distances allowed seeing the effects of first and second atomization on the spray / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestra em Engenharia Mecânica

A foreseeable shortage of petroleum, associated to a growing ecological conscience, demand for alternative sources of energy and more efficient and less pollutant combustion processes. Among the few pollutant fuels this work approaches the combination of natural gas, whose consumption has been increasing year to year, and diesel. It is known that the internal combustion engines convert energy with low efficiency. Based on that, this work evaluates a bi-fuel Diesel engine, power by Diesel and natural gas as means of improving its efficiency. In the engine used as a prototype, the main energy comes from the combustion of natural gas. Being the gas the main fuel, the Diesel is used only to generate the pilot explosion for the combustion process. In this way, the diesel oil is partially substituted by natural gas, increasing the combustion efficiency. Initially it was made a study on the use of the natural gas in Diesel engine through a bibliographical revision. Therefore after, they were certain the parameters that should be monitored to develop an appropriate controller. It was verified that should be appraised the engine rotation and the injection angle. The performance aimed for the action of the loop control should be the rotation of the engine. The more appropriate control techniques were investigated for the management of the natural gas injection. When analyzing the traditional techniques it observed that they present some disadvantages as the mathematical complexity, difficulties in adapt the motor to the everchanging conditions of the motor with time/temperature, limitations in the grade of controller performance and complications for practical implementation on the part of non-specialized operators. To optimize the volume of natural gas supplied to the engine an electronic manager was developed for injection of this fuel. This electronic controller is based on an adaptive fuzzy algorithm to regulate the rate of injection of fuel, which was implemented through a microcontroller. The electronic injection system controls the timing of fuel injection, so managing the volume of gas supplied to each injection cycle. The injection angle is also accurately monitored by the control system. This topology, with few alterations, can be used in any Diesel engine operating in the bifuel mode. Results of this dissertation should contribute to increase the efficiency of Diesel engine as well as reduce the consumption of fuel and emission of pollutants. / Uma previsível escassez de petróleo, aliada a uma crescente consciência ecológica, tem levado pesquisadores a procurar fontes alternativas de energia e processos de combustão mais eficientes e menos poluentes. Entre os combustíveis pouco poluentes este trabalho aborda o uso do gás natural, cujo consumo tem aumentado ano a ano. É sabido que os motores de combustão interna convertem energia com baixa eficiência. Com base nisto, este trabalho avalia um motor Diesel, bi-combustível, movido a Diesel e gás natural como forma de encontrar meios de melhorar sua eficiência. No motor usado como protótipo, nessa dissertação a energia origina-se da combustão do gás natural. Sendo o gás o combustível principal, o Diesel presta-se apenas à geração da chama piloto para o processo de combustão. Assim, substitui-se parcialmente o óleo Diesel por gás natural, aumentando o rendimento da combustão. Inicialmente procurou-se estudar o uso do gás natural em motores Diesel através de uma revisão bibliográfica. Em seguida, determinaram-se quais os parâmetros que seriam monitorados a fim de se desenvolver um controlador adequado. Verificou-se que deveriam ser avaliados a rotação do motor e o ângulo de injeção. A performance almejada para a ação da malha de controle deve ser a rotação do motor. Investigaram-se as técnicas de controle mais apropriadas para o gerenciamento da injeção de gás natural. Ao se analisarem as técnicas tradicionais observou-se que estas apresentam algumas desvantagens como a complexidade matemática, limitações na faixa de atuação do controlador, dificuldades de adaptação às condições do motor sempre variáveis com o tempo/temperatura e complicações para implementação prática por parte de operadores não-especializados. Para otimizar o volume de gás natural fornecido ao motor foi desenvolvido um gerenciador eletrônico para injeção deste combustível. Este controlador eletrônico baseia-se em um algoritmo nebuloso para regular a taxa de injeção de combustível implementado através de um microcontrolador. O sistema de injeção eletrônica controla o tempo de injeção do combustível, gerenciando assim o volume de gás fornecido a cada ciclo de injeção. O ângulo de injeção, também monitorado com precisão pelo sistema, é sincronizado com o eixo de comando de válvulas e, tomando-se como referência de posição angular o ponto morto superior do primeiro cilindro. Com poucas alterações, esta topologia, pode ser usada em qualquer motor Diesel que opere no regime bi-combustível. Os resultados desta dissertação devem contribuir para o aumento da eficiência do motor bem como redução do consumo de combustível e emissão de poluentes.

Orientador: Ricardo Alan Verdú Ramos / Resumo: Resumo / Abstract: Abstract / Doutor

O objetivo do desenvolvimento do projeto foi minimizar uma das principais desvantagens no uso do gás natural veicular, que é a perda de potência, e aumentar sua eficiência volumétrica através da construção de um circuito eletrônico capaz de gerenciar de forma eficiente a injeção do gás. O aumento do rendimento é obtido através do gerenciamento eficiente da mistura ar-combustível utilizando um sistema de malha fechada. O gerenciamento da relação de potência e economia é conseguido com o uso simultâneo de gás natural e o combustível líquido. Nos sistemas de conversão atuais e nos veículos originais a gás natural, a perda de potência é compensada desligando o sistema de gás e utilizando somente o combustível líquido, sendo esta seleção feita de forma manual na maioria dos sistemas de conversão e de forma automática no Fiat Siena tetrafuel, não possibilitando o uso simultâneo do gás com o combustível líquido. A exigência de potência é medida através do ângulo do pedal do acelerador. Quando a exigência de potência é baixa, o sistema opera apenas com gás. No momento em que há solicitação de potência intermediária, o sistema opera com diferentes proporções de etanol e gás. Na situação de solicitação de potência máxima, é utilizado apenas o combustível líquido. Foram feitas comparações entre o sistema convencional e o sistema proposto, através de ensaios dinamométricos, rodoviários e emissão de poluentes. O veículo Volkswagen Gol com seu sistema original utilizando somente etanol possui potência máxima de 64,06 cavalos, (47,77 Kilowatts) e consumo de 12,6 quilômetros por litro de etanol. Com o sistema convencional de gás natural aspirado, o consumo foi de 21 quilômetros por metro cúbico e a potência não ultrapassou 51,82 cavalos (38,64 Kilowatts), com o protótipo desenvolvido a eficiência volumétrica aumentou 25% com consumo de 26,4 quilômetros por metro cúbico. O gerenciamento de potência proporciona potências intermediárias acima de 51,82 cavalos (38,64 Kilowatts), até a potência máxima de 64,06 cavalos (47,77 Kilowatts) em situações que uma maior potência é requerida. O sistema desenvolvido proporciona o benefício da flexibilidade no abastecimento disponível nos sistemas atuais, com a flexibilidade na potência não disponível nos sistemas atuais. / This project intended to minimize one of the main disadvantages of using natural gas vehicles, which was the loss of power, and increase their volumetric efficiency by building an electronic circuit able to efficiently manage the gas injection. The increase in volumetric efficiency is obtained through the efficient management of air-fuel mixture using a closed loop system. The management of the power and economy ratio is achieved with the simultaneous use of natural gas and liquid fuel. In the current conversion systems and original vehicles that use natural gas, the power loss is compensated by turning off the gas system and using only the liquid fuel. This selection is done manually in most conversion systems, and automatically at Fiat Siena Tetrafuel, not allowing the simultaneous use of gas to liquid fuel. The demand for power is measured by the angle of the accelerator pedal. When the power demand is low, the system operates only with natural gas. When intermediate power is required, the system operates with different proportions of ethanol and natural gas. For maximum power, only ethanol is used. Comparisons were made between the conventional and the proposed system through dynamometer tests, road tests and emission analyses. The Volkswagen Gol with original system using only ethanol has a maximum power of 64.06 horses (47.77 Kilowatts) and consumption of 12.6 kilometers per liter of ethanol. With conventional aspirated natural gas system, the consumption was 21 km per cubic meter and the power did not exceed 51.82 horses (38.64 Kilowatts). With the prototype, volumetric efficiency increases by 25%, with consumption of 26.4 kilometers per cubic meter. The power management provides intermediate powers up to 51.82 horses (38.64 Kilowatts) until the maximum power of 64.06 horses (47.77 Kilowatts) in situations where more power is required. The developed system provides the benefit of refueling flexibility found in the original system, with power flexibility not available in original systems.

O objetivo do desenvolvimento do projeto foi minimizar uma das principais desvantagens no uso do gás natural veicular, que é a perda de potência, e aumentar sua eficiência volumétrica através da construção de um circuito eletrônico capaz de gerenciar de forma eficiente a injeção do gás. O aumento do rendimento é obtido através do gerenciamento eficiente da mistura ar-combustível utilizando um sistema de malha fechada. O gerenciamento da relação de potência e economia é conseguido com o uso simultâneo de gás natural e o combustível líquido. Nos sistemas de conversão atuais e nos veículos originais a gás natural, a perda de potência é compensada desligando o sistema de gás e utilizando somente o combustível líquido, sendo esta seleção feita de forma manual na maioria dos sistemas de conversão e de forma automática no Fiat Siena tetrafuel, não possibilitando o uso simultâneo do gás com o combustível líquido. A exigência de potência é medida através do ângulo do pedal do acelerador. Quando a exigência de potência é baixa, o sistema opera apenas com gás. No momento em que há solicitação de potência intermediária, o sistema opera com diferentes proporções de etanol e gás. Na situação de solicitação de potência máxima, é utilizado apenas o combustível líquido. Foram feitas comparações entre o sistema convencional e o sistema proposto, através de ensaios dinamométricos, rodoviários e emissão de poluentes. O veículo Volkswagen Gol com seu sistema original utilizando somente etanol possui potência máxima de 64,06 cavalos, (47,77 Kilowatts) e consumo de 12,6 quilômetros por litro de etanol. Com o sistema convencional de gás natural aspirado, o consumo foi de 21 quilômetros por metro cúbico e a potência não ultrapassou 51,82 cavalos (38,64 Kilowatts), com o protótipo desenvolvido a eficiência volumétrica aumentou 25% com consumo de 26,4 quilômetros por metro cúbico. O gerenciamento de potência proporciona potências intermediárias acima de 51,82 cavalos (38,64 Kilowatts), até a potência máxima de 64,06 cavalos (47,77 Kilowatts) em situações que uma maior potência é requerida. O sistema desenvolvido proporciona o benefício da flexibilidade no abastecimento disponível nos sistemas atuais, com a flexibilidade na potência não disponível nos sistemas atuais. / This project intended to minimize one of the main disadvantages of using natural gas vehicles, which was the loss of power, and increase their volumetric efficiency by building an electronic circuit able to efficiently manage the gas injection. The increase in volumetric efficiency is obtained through the efficient management of air-fuel mixture using a closed loop system. The management of the power and economy ratio is achieved with the simultaneous use of natural gas and liquid fuel. In the current conversion systems and original vehicles that use natural gas, the power loss is compensated by turning off the gas system and using only the liquid fuel. This selection is done manually in most conversion systems, and automatically at Fiat Siena Tetrafuel, not allowing the simultaneous use of gas to liquid fuel. The demand for power is measured by the angle of the accelerator pedal. When the power demand is low, the system operates only with natural gas. When intermediate power is required, the system operates with different proportions of ethanol and natural gas. For maximum power, only ethanol is used. Comparisons were made between the conventional and the proposed system through dynamometer tests, road tests and emission analyses. The Volkswagen Gol with original system using only ethanol has a maximum power of 64.06 horses (47.77 Kilowatts) and consumption of 12.6 kilometers per liter of ethanol. With conventional aspirated natural gas system, the consumption was 21 km per cubic meter and the power did not exceed 51.82 horses (38.64 Kilowatts). With the prototype, volumetric efficiency increases by 25%, with consumption of 26.4 kilometers per cubic meter. The power management provides intermediate powers up to 51.82 horses (38.64 Kilowatts) until the maximum power of 64.06 horses (47.77 Kilowatts) in situations where more power is required. The developed system provides the benefit of refueling flexibility found in the original system, with power flexibility not available in original systems.

A utilização mais eficiente dos recursos naturais tem levado a indústria a aumentar a eficiência dos produtos manufaturados. Veículos de transporte Diesel estão incluídos neste cenário. Nos motores Diesel, um componente importante do sistema de injeção é o bico injetor. Uma legislação recente no Brasil introduziu limites de emissões EURO5. Estes novos parâmetros tiveram impacto no projeto do bico injetor com tolerâncias sendo reduzidas, em especial na área da sede do corpo do bico injetor, alterando o parâmetro funcional de pressão de abertura do produto. Neste cenário, o impacto desta superfície cônica retificada sobre a pressão de abertura é grande, bem como, sobre o desempenho do motor Diesel. Este estudo tem como objetivo analisar o defeito de topografia superficial típico e recorrente no processo de retificação interna cônica da sede do corpo dos bicos injetores. Um experimento planejado foi realizado de acordo com método Taguchi e determinou-se a relação sinal-ruído para dois parâmetros de topografia 2D. A superfície da sede também foi analisada utilizando análise topográfica 3D. Os resultados deste estudo incluem a indicação de possíveis causas do defeito recorrente, caracterização dos principais elementos do processo de retificação, caracterização da superfície retificada e otimização dos parâmetros do processo de retificação. / Industries of manufactured products have increased their efficiency optimizing the natural resources usage and Diesel commercial vehicles are included in this scenario. For Diesel engines, one of the most important components of the injection system is the nozzle injector. In Brazil, EURO5 legislation was recently introduced, bringing new emission limits for Diesel engines. Because of this, the nozzle injector design has changed and some manufacturing tolerances were reduced, in special the body seat geometry. This also changed the nozzle opening pressure. In this new process, the body seat grinded conical surface impacts on this functional parameter and consequently the Diesel engine performance. This study has as target to analyze a recurrent defect in the internal conic grinding process of the nozzle body seat. A trial was performed in this process according to Taguchi method and signal / noise ratio for 2D topographic parameters were defined. The body seat surface was also analyzed using 3D topographic analysis. The results of this study include the possible cause of the recurrent failure, characterization of the ground surface, process main elements integrity assessment and optimization of the grinding process parameters.