A presente dissertação trata do projeto de um motor de combustão interna de quatro tempos, ciclo Otto, destinado à categoria de competição Formula SAE, adequado ao mercado brasileiro. Uma extensa pesquisa bibliográfica e de mercado foi realizada para o direcionamento do projeto, além de análises experimentais para obtenção de dados. No estudo experimental foi utilizado um motor monocilíndrico de 300 cc de deslocamento volumétrico, arrefecido a ar, oriundo de uma motocicleta comercial atual, denominado nesta dissertação como \"motor base\". Esse motor foi instalado em uma bancada de dinamômetro e instrumentado de forma a permitir sua avaliação mecânica e termodinâmica. Estudos de desempenho, análises de combustão e emissões também foram realizados, incluindo utilização de etanol, variações da razão ar/combustível e sobrealimentação. Igualmente, foram feitos ensaios experimentais de componentes específicos utilizados no projeto. Os dados experimentais foram utilizados como parâmetros para o projeto mecânico do novo motor Formula SAE, e para a modelagem e simulação do motor base em fluidodinâmica computacional unidimensional (CFD-1D), que foi utilizada como ferramenta auxiliar do projeto. O escopo do projeto mecânico do motor foi restrito ao bloco, virabrequim e alguns componentes de integração, uma vez que todos os demais componentes foram extraídos do motor base e de outros motores presentes no mercado nacional. O motor Formula SAE foi projetado em ambiente computacional (CAD), sendo que para o projeto mecânico do bloco e virabrequim foram realizadas simulações computacionais estruturais, utilizando o método dos elementos finitos (FEA), para verificação da distribuição de tensões nos componentes projetados. O novo motor Formula SAE apresentou vantagens significativas em relação aos custos para aquisição de peças de montagem e reposição, e proporcionou flexibilidade de montagem e operação. / The present dissertation addresses the design of a 4 stroke Otto cycle internal combustion engine dedicated to Formula SAE student program and fitted to the Brazilian market. An extensive literature review and a market benchmark were performed, in order to provide guidance to the project, and experimental analysis for data acquisition. For the experimental study, a 300 cm3 single cylinder air cooled motorcycle engine has been used, taken from a motorcycle currently in production, available in Brazilian market, called in this dissertation as \"base engine\". This engine has been installed in a dynamometer test bench and instrumented in order to allow its mechanical and thermodynamic evaluation. Performance, combustion and emissions analysis were also performed, including ethanol fueling, air/fuel ratio variation and supercharging. Experimental tests with specific engine components were performed to provide necessary design data. The experimental data were used as input parameters for the mechanical design, as well as for modeling and simulation of the base engine on one-dimensional computer fluid dynamics, which was used as an auxiliary tool for this project. The scope of mechanical design of this engine was restrict to the crankcase, crankshaft and some assembly components, since all other components were taken from the base engine and other engines from the national market. The design was assisted by computer aided design (CAD). In order to verify the crankcase and crankshaft mechanical design regarding stress distribution, computational structural analysis have been performed using the finite element method (FEA). The new Formula SAE engine presented significant advantages regarding purchasing costs of parts for assembly and maintenance, and provided assembly and operation flexibility.

Em motores de combustão interna, o entendimento do processo de combustão é de fundamental importância para o desenvolvimento de modelos de queima empregados em simuladores de ciclos termodinâmicos, sendo a curva de pressão medida na câmara uma das principais fontes de informações a respeito deste processo. Além disto, este entendimento fornece subsídios valiosos para o projeto e desenvolvimento de novas câmaras de combustão, de componentes e do próprio motor. O objetivo deste trabalho é, a partir da medição da pressão na câmara de combustão de motores de ignição por centelha, obter informações a respeito da evolução da combustão, tais como taxa de liberação de calor e fração de massa queimada em função da posição angular do virabrequim. Para tanto, supõe-se a câmara de combustão dividida em três zonas, a saber: a de gases não queimados, composta pela mistura fresca admitida pelo motor e uma fração de gases residuais; a de gases queimados resultantes da combustão e a de gases não queimados contidos em frestas. Uma frente de chama adiabática, com formato esférico e interagindo com as paredes da câmara é admitida como interface entre as zonas queimada e não queimada. São também considerados os efeitos da dissociação química dos produtos da combustão, de troca de calor com as paredes e os de vazamento de gases da câmara para o cárter (blow-by). O modelo construído a partir destas hipóteses foi traduzido em um código computacional e aplicado a curvas de pressão geradas por um simulador e obtidas experimentalmente em um motor específico. / Understanding the combustion process in IC engines is very important to develop combustion models used in thermodynamic cycle simulators, and the in-cylinder pressure history is the basic source of information about this process. Besides, this understanding provides valuable knowledge to design and develop new combustion chambers, components and the engine itself. The purpose of the present work is to obtain information about combustion development in SI engines from in-cylinder pressure measurements, in terms of variables such as heat release and mass fraction burned as a function of crank angle. The combustion chamber is divided into three zones, comprising burned gases, mixture of fresh charge and residual gases, and gases in crevices. A spherical and adiabatic flame front that interacts with the chamber walls is assumed to separate the burned and unburned zones. The proposed model considers chemical dissociation at high temperatures, heat transfer and blow-by as well. The model built from the assumptions above was implemented as a numerical code and applied to a specific engine, using both cylinder gas pressure data from a cycle simulator and experimentally obtained.

Les gaz contenus dans les lignes d’échappement des moteurs Diesel pour la propulsion maritime peuvent atteindre des températures de l’ordre de 400 – 450 °C à la sortie du turbocompresseur. Une des voies possibles pour récupérer une partie de l’énergie contenue dans les gaz d’échappement est la thermoélectricité (effet Seebeck)avec des matériaux thermoélectriques côté chaud entre200 et 300 °C. Ce niveau de température correspond à des matériaux ayant de bonnes performances de conversion chaleur / électricité. De plus, l’eau de mer présente en abondance est une excellente source froide pour un générateur thermoélectrique (TEG). Par ailleurs, la consommation en carburant du moteur thermique est un poste de dépense majeure pour l’opérateur du bateau, et une réduction de cette consommation, même minime, peut générer des économies financières importantes.L’objectif de la thèse est de comprendre et analyser le fonctionnement d’un échangeur thermoélectrique,notamment en présence d’écoulement pulsés afin d’optimiser le fonctionnement du générateur thermoélectrique. A ce titre, plusieurs campagnes d’essais sur des maquettes de TEG ont été mises en place sur trois bancs d’essais (conçus particulièrement pour les travaux de thèse) où des mesures thermiques et électriques ont été réalisées. Le but de ces essais a été de tester les performances des modules thermoélectriques et les différents types d’échangeurs sur les points de fonctionnement d’un moteur Diesel pour déterminer (dans un premier temps) lesquels étaient les plus adaptés au fonctionnement moteur. Dans un second temps, les effets de la composition des gaz d’échappement et des écoulements pulsés sur le fonctionnement du TEG ont été étudiés. Un modèle de simulation a également été développé afin de modéliser le fonctionnement d’un générateur thermoélectrique. Des essais ont été réalisés afin de calibrer le modèle de simulation. / Thermoelectric energy (TE) harvesting (Seebeck effect)is a promising solution for waste heat recovery onboard ocean-going ships. On one hand, the marine Diesel engines reach around 400-450°C temperature at the turbocharger exhaust, corresponding to around 200-300°C on the hot side thermoelectric module (TEM)temperature, which is interesting according to recent studies on intermediate temperatures TE materials. In addition, seawater is available in abundance at low temperature, and represents an excellent heat sink. On the other hand, engine fuel consumption accounts today almost 50 % of ship operational costs; hence, a slight reduction of fuel consumption generates significant financial savings over the year.The objective of the Thesis is to understand and analyze the operation of a thermoelectric heat exchanger, especially in the presence of pulsations and to optimize the thermoelectric generator (TEG). Several test campaigns leading to different thermal and electrical measurement have been conducted. The campaigns were set up on three different test benches designed and fabricated during the thesis. The aim of these tests was to optimize the type of TEM’s and heat exchangers for Diesel engine application by investigating it’s the performances on engine operating points. In a second step, the effects of exhaust gas composition and pulsation flow on the TEG performances were investigated. A simulation model was developed to model the operation of a TEG. Tests were conducted to calibrate the simulation model.

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.

No description available.

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[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.