CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Second generation biodiesel fuels extracted from sources such as beef tallow and castor bean oil have gone through an increase in production, as they are being gradually added to soybean biodiesel which constitutes the primary biofuel in the country. These alternative materials have potential do increase the fuelâs oxidation stability and, specifically in the case of beef tallow, reduce the cost of producing biodiesel. However, these sources also contribute to making the properties of the biodiesel/diesel blend more distant from those of conventional diesel fuel. Beef tallow biodiesel, for example, has a cetane number of 64.70, compared to 46.44 the soybean and 48 for mineral diesel fuel. In the case of castor bean biodiesel, its viscosity is 14.5 cSt, while soybeanâs is 4.2 cSt and mineral dieselâs is 2.5. It is expected that these unique characteristics should have noteworthy consequences in the injection, tomization and combustion processes of the fuel. This work intends to determine the extent of these consequences by characterizing each second generation biodiesel fuelâs impact on the apparent heat release rate. To this end, experimental data on cylinder pressure and a heat release â or energy - analysis model on a combustion zone were utilized. The data were obtained from a medium sized turbo diesel engine operating at steady state for three different load levels. Biodiesel and diesel blends were prepared at concentration levels B10, representative of current commercial use, and B20, corresponding to a greater biofuel adoption in a future scenario. Second generation sources were also compared to data from soybean biodiesel, which forms around 75% of Brazilâs biodiesel production. At B20 concentrations, it was found that beef tallow biodiesel, due to its higher cetane number, hastened combustion by about 1◦ compared to soybean and 3◦ compared to mineral diesel. This anticipation in ignition also caused a reduction in the amount of fuel consumed as a premixed flame. Combustion of castor bean biodiesel was mostly unchanged for high and medium loads compared to mineral diesel fuel. However, on the low load configuration (BMEP = 250kPa) and at B20 concentration, it caused a significant delay in combustion, likely from the collision of the fuel jet against the cylinder wall. / Os biodieseis de segunda geraÃÃo oriundos de fontes, tais como o sebo bovino e a mamona, vÃm experimentando uma expansÃo em sua produÃÃo, sendo adicionados gradualmente ao biodiesel de soja, que constitui a matÃria-prima predominante no paÃs. Essas matÃrias-primas alternativas podem aumentar a estabilidade à oxidaÃÃo do combustÃvel e, no caso do sebo, diminuir o custo de produÃÃo do biodiesel. Contudo, elas tambÃm contribuem para um maior distanciamento entre as propriedades das misturas diesel/biodiesel e o Ãleo diesel convencional. O biodiesel proveniente do sebo bovino, por exemplo, possui um nÃmero de cetano de 68,77 frente aos 52,10 do de soja e 48 do Ãleo diesel mineral. Jà o biodiesel de mamona possui viscosidade de 14,5 cSt, frente aos 4,16 do de soja e 2,5 do Ãleo diesel mineral. Espera-se que essas caracterÃsticas singulares tenham consequÃncias importantes nos processos de injeÃÃo, atomizaÃÃo e queima do combustÃvel. O objetivo deste trabalho à determinar a extensÃo dessas consequÃncias, caracterizando-se o impacto de cada um desses biodieseis de segunda geraÃÃo sobre a taxa aparente de liberaÃÃo de energia. Empregou-se, para tanto, dados experimentais de pressÃo no cilindro e um modelo de anÃlise de liberaÃÃo de calor, ou de energia, com uma zona de combustÃo. Os dados foram obtidos com um motor diesel turbo de mÃdio porte operando em condiÃÃes de regime permanente e a trÃs nÃveis de carga. Preparou-se misturas entre diesel e biodiesel nas concentraÃÃes B10, representativas do patamar atual de adiÃÃo de biodiesel ao diesel mineral, e B20, que corresponderiam à maior adoÃÃo de biocombustÃveis em um cenÃrio futuro. As matÃrias-primas de segunda geraÃÃo, sebo bovino e mamona, tambÃm foram comparadas a dados obtidos com o biodiesel de Ãleo de soja, que corresponde a cerca de 75% a atual produÃÃo brasileira de biodiesel. Para as misturas B20, constatou-se que o biodiesel de sebo bovino, por ter maior nÃmero de cetano, adianta a combustÃo em cerca de 1◦ com relaÃÃo ao de soja e 3◦ com relaÃÃo ao diesel mineral. Devido a este adiantamento da igniÃÃo, o biodiesel de sebo bovino tambÃm reduziu a quantidade de combustÃvel consumido pelo modo prÃ-misturado. A combustÃo das misturas contendo biodiesel de mamona ficou praticamente inalterada para as condiÃÃes de alta e mÃdia carga com relaÃÃo ao Ãleo diesel mineral. Contudo, em baixa carga (bmep=250 kPa) e na concentraÃÃo correspondente a B10 e B20, o biodiesel de mamona provocou um atraso expressivo na combustÃo, provavelmente devido à colisÃo do jato combustÃvel com as paredes do pistÃo.

Este trabalho aborda o desenvolvimento de um sistema de controle em malha fechada de torque e velocidade de rotação para testes de motores de combustão interna em uma bancada que possui um dinamômetro de correntes de Foucault. É apresentada uma revisão bibliográfica que abrange a fundamentação teórica básica sobre dinamômetro, alguns dos principais testes realizados em motores de combustão interna e técnicas de controle e instrumentação que estão sendo desenvolvidas por pesquisadores sobre o tema de controle de dinamômetro para testes de motores de combustão interna. O projeto surgiu com a necessidade do Laboratório de Motores da UFRGS realizar vários testes em motores a combustão tendo uma maior confiabilidade e rapidez para aquisição dos resultados. Este sistema está baseado num microcontrolador da família Atmega onde foram implementados os algoritmos de um controlador PID e um proporcional, que controlam respectivamente, os níveis de corrente contínua aplicadas no dinamômetro e o percentual de abertura da borboleta do motor combustão através de um motor de passo. A etapa de controle é executada no microcontrolador e uma interface gráfica foi implementada em Labview. Esta interface gráfica faz a leitura via porta serial dos dados do microcontrolador e traça suas curvas as salvando em arquivo, também se pode visualizar os sinais das temperaturas do motor e dinamômetro e nível de combustível do reservatório. A validação do controle desenvolvido foi comprovada através da verificação da convergência dos sinais para os valores de referência desejados. O controle propiciou também uma diminuição dos tempos para obtenção das respostas desejadas em comparação com o sistema anterior de controle manual. / This paper describes the development of a torque and rotation speed closed loop control system for internal combustion engine tests in a bench using a Foucault current dynamometer. A bibliographical review that encompasses basic dynamometer theoretical concepts, some of the most important tests applied to internal combustion engines, and control and instrumentation techniques currently under development on dynamometer testing for internal combustion engines is presented. This project needs to perform tests in combustion engines which would produce more dependable and faster results. The system herein developed is based on an Atmega-type microcontroller where algorithms of both a PID and a proportion controller, controlling respectively the levels of direct current applied through the dynamometer coils and the opening of an internal combustion engine throttle body by means of a step motor, were implemented. The control stage was done in the microcontroller and a graphic interface for a personal computer was created in Labview. This graphic interface facilitates the microcontroller data reading and traces its curves, saving them in a file; also, the engine and dynamometer temperature signals and the tank fuel level can be visualized. The validation of this control has been proved by the signal convergence check for desired reference values. Furthermore, the control has enabled a reduction in ideal answer time attainment as compared to the previous manual system.

O projeto do coletor de admissão é essencial para alcançar o melhor desempenho de um motor de combustão interna, e, portanto diversos parâmetros devem ser considerados durante o desenvolvimento do mesmo. Por exemplo, uma distribuição de ar não uniforme conduz a uma eficiência volumétrica não uniforme no cilindro, perda de potência e aumento do consumo de combustível. Por outro lado, as variações de pressão no coletor de admissão, devido aos efeitos pulsantes no escoamento do ar podem substancialmente aumentar ou reduzir o desempenho do motor. Atualmente, no Brasil, a maior parte dos coletores de admissão é fabricada a partir do nylon com fibra de vidro, pois proporciona redução de peso, redução de atrito nos dutos e geometrias internas complexas. Porém, novos fatores se tornam importante como redução de integridade estrutural e atender a requisitos de pressão de estouro. Este trabalho apresenta as principais etapas de desenvolvimento de um coletor de admissão plástico soldado por vibração. Primeiramente as principais dimensões do coletor são definidas a partir da simulação unidimensional. A partir disso, o modelo tridimensional é construído levando em consideração o espaço disponível no compartimento do motor e aspectos que permitam a injeção e solda das partes. Em seguida, a geometria interna do coletor é otimizada visando diminuir as perdas de carga aumentando a eficiência volumétrica. A integridade estrutural do coletor e solda deve ser analisada a fim de atender os requisitos do cliente. Ao confirmar o desenho do coletor de admissão através de testes com peças protótipos, se inicia a fabricação dos ferramentais de produção. / Intake manifold project is essential to achieve the best internal combustion engine performance, and, therefore, several parameters should be considered during it development. For instance, an uneven air distribution lead to uneven cylinder volumetric efficiency, power loss and increased fuel consumption. On the other hand, pressures variations within intake manifold due to air flow transient effects could substantially increase or decrease the engine performance. Nowadays, in Brazil, the majority of the intake manifolds are fabricated from nylon with glass fiber which provides weight reduction, wall friction reduction and complex internal geometries. However, new factors become important like structural integrity reduction and withstand to burst pressure. This work presents the mainly development stages of a plastic intake manifold vibration welded. First, the basic intake manifold dimensions are defined through one-dimensional simulation. From this, three-dimensional model is built considering the engine compartment space available and aspects which allows injection and welding process of manifold shells. Then, intake manifold internal geometry is optimized to minimize air flow losses, increasing the volumetric efficiency. Intake manifold structural integrity and welding quality should de evaluated to withstand customer requirements. Confirming the intake manifold drawing through tests with prototype parts, production tooling is started.

Desde a sua invenção, o motor a combustão interna sofreu significantes evoluções, como redução do consumo de combustível, aumento da sua potência e durabilidade a um menor custo. Outros setores também evoluíram, como a busca por alternativas de combustível, tendo como exemplo o etanol hidratado combustível, que trouxe vantagens tais como maior desempenho e menor emissão de poluentes, porém com solicitações mecânicas, térmicas e termomecânicas mais severas. Sua menor lubricidade, quando comparada a da gasolina tipo C também intensificou o desgaste no par tribológico válvula e sede de válvula. Neste trabalho foram analisados diversos pares de válvulas e sedes de válvulas provenientes de quatro motores pós teste, sendo dois deles de mesma especificação técnica e submetidos às mesmas condições de ensaio, variando somente o combustível utilizado (etanol hidratado combustível e gasolina comum tipo C). A topografia da superfície de contato foi avaliada através de exames das superfícies com lupa estereoscópica, microscópio eletrônico de varredura e perfilômetro óptico a fim de identificar os danos encontrados. Ao término das análises foi realizada a comparação dos danos encontrados entre a superfície de contato das válvulas e sedes do motor que operou com etanol hidratado combustível e gasolina comum tipo C, de forma a evidenciar as diferenças proporcionadas pelos combustíveis. Este trabalho faz parte do \"Consórcio de P&D e Desafios Tribológicos em Motores Flex-Fuel\" patrocinado pela FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) com participação da indústria automotiva, para identificar os modos de desgaste atuantes. / Since its invention the internal combustion engine presented significant improvements like lower fuel consumption, higher power and durability increase at reduced costs. Other industries sectors did also improve as the search for new alternative fuels such as hydrated ethanol fuel which brought advantages like higher performance with lower pollutant emissions, although with it came more severe mechanical, thermal and thermo-mechanic stresses. Ethanol lower lubricity when compared to type C gasolines did also increase the valve/ valve seat insert wear. This study presents the results of contact surface analysis of several pairs valve/ valve seat insert from four engines after test being two of them of same technical specification and submitted to the same test cycle with only difference their fuel (hydrated ethanol and regular type C gasoline). The contact surface topography was evaluated through surface exams using optical microscopy, scanning electron microscope and non-contact profiler, to evaluate damages. At the end of analysis, a comparison between valves and valve seats from the engines that operated with hydrated ethanol and regular type C gasoline in order to put in evidence the damage difference provided by the fuels. This study is part of \"Consórcio de P&D e Desafios Tribológicos em Motores Flex-Fuel\", sponsored by FAPESP (\"Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo\") with participation of automotive industries, to characterize the existent wear.

A utilização de combustíveis alternativos em MCI, visa a substituição ou a redução do consumo de combustíveis fósseis. Qualquer estudo do desenvolvimento de métodos e técnicas que melhore o desempenho dos motores usando combustíveis alternativos é de grande importância tecnológica, econômica e social. Com este fim, foi feito este trabalho de pesquisa, o qual consiste em ensaiar um motor usando misturas de 37% e 50% de etanol na gasolina. O etanol utilizado neste trabalho apresentou um grau alcoólico de 92 INPM aproximadamente. Os ensaios foram feitos em taxas de compressão 8:1, 9.5:1 e 11:1. Foi avaliada a influência dos diferentes parâmetros para um máximo de eficiência e um mínimo de poluição, aproveitando as vantagens de ambos combustíveis, já que, a gasolina tem alto poder calorífico e baixo índice octano, e o etanol tem baixo poder calorífico e elevado índice de octana. O combustível ideal deveria ter ambos os fatores elevados. Para verificar os resultados esperados, foram feitos neste trabalho, estudos cinéticos químicos da combustão a partir do desempenho do motor e geração de gases. Para cumprir este fim foram necessários estudos que incluem o diagnóstico do processo de combustão, já que, o diagnóstico do processo de combustão fornece toda a informação necessária, às análises de aspectos críticos do funcionamento do motor e de emissões. Comprovou-se que a velocidade da reação de oxidação do etanol é maior que da gasolina e que, o motor aproveita mais a energia química do etanol que da gasolina. / The use of alternative fuels in Internal Combustion engine, seeks the substitution or the reduction of the consumption of fossil fuels. Any study of the development of methods and techniques that it improves the acting of the motors using alternative fuels are of great technological, economic and social importance. With this goal, it was made this research work, which consists of tests in an engine using blends of 37% and 50% of ethanol in the gasoline. The ethanol used in this work presented an alcoholic degree of 92 INPM approximately. The tests were made in compression ratio 8:1, 9.5:1 and 11:1. The influence of the different parameters was evaluated for a maximum of efficiency and a minimum of pollution, taking advantage of the advantages of both fuels, since, the gasoline has high PCI and low octane index, and the ethanol low PCI and high octane index. The ideal fuel should have high both factors. To verify the expected results, they were done in this work, studies kinetic chemists of the combustion starting from engine performance and generation of gases. To execute this goal they were necessary studies that include the diagnostics of the combustion process, since, the diagnostics of the combustion process supplies all the necessary information, to the analyses of engine critical aspects operation and emissions. Was proven that the speed of the ethanol reaction of oxidation is larger than gasoline and that the engine takes advantage of more the ethanol chemical energy that of the gasoline.

Orientador: Janito Vaqueiro Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-23T13:13:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Bosso_AndreLuizAparecido_M.pdf: 7894502 bytes, checksum: 2052586d161cac58f608acb2945fbd48 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo principal desenvolver um sistema alternativo para impulsionar o pistão em um motor de combustão interna que aciona um gerador de energia elétrica operando a uma rotação fixa. O sistema biela-manivela é substituído por um sistema eixo-cremalheira-engrenagem, que é capaz de realizar a inversão de movimento do pistão no ponto morto superior e no ponto morto inferior, sem que ocorra uma inversão de velocidade instantânea nesses pontos. Para garantir a eficiência desse sistema, análises cinemática e dinâmica são realizadas utilizando a modelagem de múltiplos corpos rígidos e a modelagem geométrica. Uma análise termodinâmica é realizada com o auxílio de um modelo de simulação computacional desenvolvido para um motor de combustão interna, com ignição por centelha e movido a etanol. O programa inclui a combustão com duração finita, transferência de calor instantânea e processos de admissão e escape, porém não considera o equilíbrio químico e a dissociação. Com os resultados obtidos é possível construir as curvas características do motor estudado e determinar sua melhor rotação de operação / Abstract: The main focus of this work is to develop an alternative system to drive the piston in an internal combustion engine which drives an electric power generator operating at a fixed speed. The connecting rod-crankshaft system is replaced by an axle-rack-gear system that is capable of performing the inversion of the piston movement in the top and the bottom dead center, without occurring an inversion of the instantaneous velocity in these points. In order to ensure the efficiency of this system, kinematic and dynamic analyzes are performed using rigid body and geometric modeling. A thermodynamic analysis is performed using a computer simulation model developed for a conventional ethanol-powered internal combustion engine with spark ignition. The program includes combustion with finite duration, instantaneous heat transfer and intake and exhaust processes, but does not consider the chemical equilibrium and dissociation. With the results it is possible to obtain the typical curves of the engine studied and determine its best operating speed / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

[pt] A perspectiva a curto prazo de uma legislação nacional limitando o nível máximo de emissões de poluentes em motores de combustão interna tem despertado interesse em pesquisas visando o controle das emissões sem prejuízo ao desempenho do motor. No presente trabalho foram pesquisadas as influências de parâmetros tais como avanço da ignição razão ar-combustível, preparação da mistura e taxa de compressão no desempenho e nas emissões em um motor tipo CFR utilizando etanol hidratado. Foi utilizado um condensador na linha de amostragem com a finalidade de quantificar separadamente os hidrocarbonetos e o álcool não queimado que são medidos em conjunto nos detetores convencionais. Foram realizados também estudos preliminares para a otimização das condições de saída dos gases para a utilização de catalisadores no controle das emissões. / [en] The perspective of changing shortly the national policy on emissions from internal combustion engines has lead to research aiming to control emissions without decreasing engine performance. In this research, the influence of several parameters on engine performance was analysed: firing angle, airfuel ratio, mixture preparation and compression ratio 5. A one cylinder CFR engine was used burning hidrated ethanol as fuel. Hydrocarbons and unburned alcohol were :measured separately by introducing into the sampling line a water condenser, and using conventional measuring instruments. Several measurements were carried out to optimize the exaust condition of gases (basically temperature) and using a catalyst to reduce emissions. Finally the measured emissions are shown as a function of several pamaters.

Orientador: Janito Vaqueiro Ferreira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-26T21:15:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Lopes_GustavoSantos_M.pdf: 9836422 bytes, checksum: 5dd85af9a9e496c3601a34fb639cb6dd (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Este trabalho desenvolveu um novo conceito de dispositivo mecânico capaz de variar a taxa de compressão dos cilindros de um motor a combustão interna para estudar as possibilidades de novos projetos para a indústria automotiva e apresentar as possíveis melhorias atingidas com essa tecnologia. O modelo desenvolvido foi submetido a simulações computacionais para avaliar sua cinemática e dinâmica através das teorias de múltiplos corpos rígidos e da modelagem geométrica. Foi implementado um modelo simplificado robusto zero dimensional para tornar as análises mais simples utilizando os conceitos de termodinâmica envolvidos no motor. Foi considerado transferência de calor instantânea, processo de queima finita pela curva de Wiebe e os fluxos de massa envolvidos nos processos de admissão e exaustão dos cilindros. Não foram implementados os processos de dissociação e equilíbrio químico e um modelo que prevê detonação. Os resultados cinemáticos e dinâmicos foram validados em softwares comerciais de renome e apresentaram ótima semelhança. Os resultados termodinâmicos possibilitaram comprovar a eficácia da adoção da variação da taxa de compressão quando se necessita aumentar a eficiência térmica dos motores, melhorar os índices de consumo e desempenho. Os resultados permitiram também o desenvolvimento de novas curvas fundamentais para análises mais sofisticadas e calibrações mais específicas do motor / Abstract: This work developed a new concept of a mechanical device able to vary the compression ratio of an internal combustion engine cylinder to study the possibilities of new projects for the automotive industry and present the possible improvements achieved with this technology. The developed model was subjected to computer simulations to evaluate its kinematics and dynamics through the theories of multiple rigid bodies and geometric modeling. A robust zero dimensional simplified model to make simpler analysis using thermodynamic concepts involved in engines was implemented. Was considered instantaneous heat transfer, finite burning process by Wiebe curve and the mass flows involved in the admissions and exhaust process from the cylinders. The dissociation and chemical balance processes and a model that predicts knocking have not been implemented. The kinematic and dynamic results were validated in leading commercial software and showed excellent accuracy. The thermodynamic results allowed prove the efficacy of adopting varying the compression ratio when it needs to increase the thermal efficiency of the engine, improve the rates of consumption and performance. Results also enabled the development of new fundamental curves for more sophisticated analysis and more specific engine calibrations / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Lately, car manufacturers have been put to a big challenge to reduce the CO2 emission of their entire fleets. Norms of pollutant emissions limit the ways to achieve the desired CO2 emission goals, as some of the solutions that would lead to lower CO2 emission also lead to higher pollutant emission. Waste Heat Recovery (WHR) could be a good solution to lower the CO2 emission of the Internal Combustion Engine (ICE) without increasing the pollutant emission. In the present thesis different WHR strategies are analysed and the results suggested it would be interesting to further study the Brayton cycle machine. Air Brayton Cycle (ABC) represents a way to recover a part of the heat energy of the ICE exhaust gases and transform it into mechanical energy. Recovered mechanical energy would then be returned to the crankshaft of the ICE, thereby reducing the amount of energy that has to be liberated by combustion of fuel which lowers the fuel consumption and CO2 emission. The study of ABC started with an analysis of the ideal cycle in order to obtain the theoretical maximum of the system. The study continued with an analysis of the semi ideal cycle where all losses are taken into account only by two efficiency coefficients. This analysis showed that for the diesel engine efficiency of the ABC is very low because of the low exhaust gas temperature. For the gasoline engine the cycle could be viable when the ICE is working under steady condition and higher load. These conditions could be fulfilled when the vehicle is driven on the highway. Detailed analysis was aimed at determining the cycle main losses. They were determined to be: pumping losses, losses caused by heat transfer and mechanical losses. Taking into account these main losses along with other direct and indirect losses it was concluded that the cycle is not viable for the types of the WHR machines that were considered in this study. In order for the cycle to be viable some other either existing or new machine type should be tested, that would lower the main losses and offer good isentropic and mechanical efficiency for desired conditions. / Últimamente los fabricantes de automóviles se han puesto el gran reto de reducir la emisión de CO2 en la totalidad de sus flotas. Las nuevas normativas para la reducción de las emisiones contaminantes limitan los medios para lograr los objetivos deseados en la emisión de CO2 porque algunas de las soluciones que llevan a la reducción en la emisión de CO2 también dan lugar a un incremento en la emisión de otros contaminantes. La recuperación de calor residual (WHR) podría ser una buena solución para reducir las emisiones de CO2 del motor de combustión interna (ICE) sin poner en peligro la emisión de contaminantes. En la presente Tesis se analizaron diferentes estrategias de WHR y se concluyó que sería interesante estudiar más a fondo la máquina de ciclo Brayton. El Ciclo Brayton de Aire (ABC) permite recuperar una parte del calor de los gases de escape del ICE y transformar este calor en energía mecánica. La energía mecánica recuperada se devuelve al cigüeñal del ICE, reduciendo de ese modo la cantidad de energía que tiene que ser liberada por la combustión del combustible, lo cual permite reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2. En esta Tesis se estudia el ABC mediante un análisis del ciclo ideal con el fin de obtener el máximo teórico del sistema. El modelo se mejora con un análisis del ciclo semi-ideal donde se tienen en cuenta todas las pérdidas mediante el uso de dos coeficientes generales. Este análisis muestra que para el motor diesel la eficiencia del ciclo ABC es muy baja debido a la baja temperatura del gas de escape. Para el motor de gasolina el ciclo podría ser viable cuando el ICE está trabajando bajo condiciones estacionarias y una carga mayor. Estas condiciones se podrían cumplir cuando el vehículo está circulando en autopista. El análisis detallado de este ciclo tiene como objetivo determinar las pérdidas principales de ciclo. Las pérdidas principales se identificaron como: las pérdidas de bombeo, las pérdidas causadas por la transferencia de calor y las pérdidas mecánicas. Teniendo en cuenta estas pérdidas principales junto con otras pérdidas directas e indirectas, se concluyó que el ciclo no es viable para los tipos de máquinas WHR que fueron considerados en este estudio. Para que el ciclo sea viable se tiene que buscar alguna otra máquina existente o un nuevo tipo de máquina que reduzca las principales pérdidas y ofrezca un buen rendimiento isentrópico y mecánico para las condiciones deseadas. / Últimament els fabricants d'automòbils s'han posat el gran repte de reduir l'emissió de CO2 de la totalitat de les seues flotes. Les noves normatives de reducció de les emissions contaminants limiten els mitjans per assolir els objectius desitjats d'emissió de CO2 perquè algunes de les solucions que porten a la reducció en l'emissió de CO2 també donen lloc a un increment a l'emissió de altres contaminants. La recuperació de calor residual (WHR) podria ser una bona solució per reduir les emissions de CO2 del motor de combustió interna (ICE) sense posar en perill l'emissió de contaminants. En la present Tesi s'han analitzat diferents estratègies WHR i es va concloure que seria interessant estudiar més a fons el cicle Brayton. El Cicle Brayton d'Aire (ABC) representa una manera de recuperar una part de la calor dels gasos d'escapament de l'ICE i transformar calor a l'energia mecànica. L'energia mecànica recuperada es retorna al cigonyal de l'ICE reduint d'aquesta manera la quantitat d'energia que ha de ser alliberada per la combustió del combustible permitint la reducció del consum de combustible i les emissions de CO2. En aquesta Tesi s'ha començat estudiant un ABC amb una anàlisi del cicle ideal per tal d'obtenir el màxim teòric del sistema. Este model es millora amb una anàlisi del cicle semiideal on es tenen en compte totes les pèrdues amb tan sols dos coeficients d'eficiència. Aquesta anàlisi va mostrar que per al motor dièsel l'eficiència del cicle ABC és molt baixa a causa de la baixa temperatura del gas d'escapament. Per al motor de gasolina el cicle podria ser viable quan l'ICE està treballant sota condicions estacionàries i una càrrega més gran. Aquestes condicions es podrien complir quan el vehicle està circulant en autopista. L'anàlisi detallada del cicle va tenir com a objectiu determinar les pèrdues principals de cicle. Les pèrdues principals es van identificar com: les pèrdues de bombament, les pèrdues causades per la transferència de calor i les pèrdues mecàniques. Tenint en compte aquestes pèrdues principals juntament amb altres pèrdues directes i indirectes, es va concloure que el cicle no és viable per als tipus de màquines WHR que van ser considerats en aquest estudi. Perquè el cicle puga ser viable s'ha de buscar alguna altra màquina existent o un nou tipus de màquina que puga reduir les principals pèrdues i puga oferir un bon rendiment isentròpic i mecànic per a les condicions desitjades. / Kleut, P. (2016). Recuperation of the exhaust gases energy using a Brayton cycle machine [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/76807 / TESIS

Low fuel consumption is one of the main requirement for current internal combustion engines for passenger car applications. One of the most used strategies to achieve this goal is to use downsized engines (smaller engines while maintaining power) what implies the usage of turbochargers. The coupling between both machines (the turbocharger and the internal combustion engines) presents many difficulties due to the different nature between turbomachines and reciprocating machines. These difficulties make the optimal design of the turbocharged internal combustion engines a complicated issue. In these thesis a strong effort has been made to improve the global understanding of different physical phenomena occurring in turbochargers and in turbocharged engines. The work has been focused on the 1D modelling of the phenomena since 1D tools currently play a major role in the engine design process. Both experimental and modelling efforts have been made to understand the heat transfer and gas flow processes in turbochargers. Previously to the experimental analysis a literature review has been made in which the state of the art of heat transfer and gas flow modelling in turbochargers have been analysed. The experimental effort of the thesis has been focused on measuring different turbochargers in the gas stand and the engine test bench. In the first case, the gas stand, a more controlled environment, has been used to perform tests at different conditions. Hot tests with insulated and not insulated turbocharger have been made to characterise the external heat transfer. Moreover, adiabatic tests have been made to compare the effect of the heat transfer on different turbocharger variables and for the validation of the turbine gas flow models. In the engine test bench full and partial load tests have been made for model validation purposes. For the models development task, the work has been divided in heat flow models and gas flow models. In the first case, a general heat transfer model for turbochargers has been proposed based on the measured turbochargers and data available from previous works of the literature. This model includes a procedure of conductive conductances estimation, internal and external convection correlations and radiation estimation procedure. In the case of the gas flow modelling, an extended model for VGT performance maps extrapolation for both the efficiency and the mass flow has been developed as well as a model for discharge coefficient prediction in valves for two stage turbochargers. Finally, the models have been fully validated coupling them with a 1D modelling software simulating both the gas stand and the whole engine. On the one hand, the results of the validation show that compressor and turbine outlet temperature prediction is highly improved using the developed models. This results prove that the turbocharger heat transfer phenomena are important not only for partial load and transient simulation but also in full loads. On the other hand, the VGT extrapolation model accuracy is high even at off-design conditions. / El bajo consumo de combustible es uno de los principales requerimientos de los motores de combustión interna actuales para aplicaciones de coches de pasajeros. Una de las estrategias más usadas para conseguir ese fin es el uso de motores "downsized" (motores más pequeños con la misma potencia) lo que implica el uso de turbocompresores. El acoplamiento entre ambas máquinas (el turbocompresor y el motor de combustión alternativo) presenta muchas dificultades debido a la diferente naturaleza entre las turbomáquinas y las máquinas alternativas. Estas dificultades convierten el diseño óptimo de los motores de combustión interna sobrealimentados en un asunto complicado. En esta tesis se ha realizado un importante esfuerzo para mejorar el entendimiento global de los diferentes fenómenos físicos que ocurren en los turbocompresores y en los motores sobrealimentados. El trabajo se ha centrado en el modelado 1D de los fenómenos puesto que las herramientas 1D juegan actualmente un papel principal en el proceso de diseño del motor. Se han realizado tanto esfuerzos experimentales como de modelado para el entendimiento de los procesos de transmisión de calor y de flujo de gases en turbocompresores. Previamente al análisis experimental se ha realizado una revisión de la literatura disponible en la que se ha analizado el estado del arte del modelado de transmisión de calor y flujo de gases en turbocompresores. El esfuerzo experimental de la tesis se ha centrado en la medida de diferentes turbocompresores en el banco de gas y en el banco motor. En el primer caso, se ha utilizado el banco de gas, un ambiente más controlado, para realizar ensayos en diferentes condiciones. Se han realizado ensayos calientes con y sin aislamiento del turbocompresor para caracterizar el flujo de calor externo. Además, se han realizado ensayos adiabáticos para comparar el efecto de la transmisión de calor sobre diferentes variables del turbocompresor y para la validación de los modelos de flujo de gases de la turbina. En el banco motor se han realizado ensayos a plena carga y a cargas parciales para usarlos en la validación. Para la tarea del desarrollo de los modelos, el trabajo se dividió en modelos de flujo de calor y modelos de flujo de gases. En el primer caso, se ha propuesto un modelo general de transmisión de calor para turbocompresores basado en los turbocompresores medidos y en datos disponibles de trabajos previos de la literatura. Este modelo incluye un procedimiento para la estimación de las conductancias conductivas, correlaciones de convección interna y externa y un procedimiento de estimación de la radiación. En el caso del modelado de flujo de gases, se ha desarrollado un modelo extendido para la extrapolación de mapas de funcionamiento de TGV tanto para el rendimiento como para el gasto másico además del modelo de predicción de coeficientes de descarga en válvulas de turbocompresores de doble etapa. Finalmente, los modelos han sido completamente validados con su acoplamiento a un software de modelado 1D simulando tanto el banco de turbos como el motor completo. Por un lado, los resultados de la validación señalan que la predicción de las temperaturas de salida de compresor y turbina mejora notablemente usando los modelos desarrollados. Este resultado demuestra que los fenómenos de transmisión de calor son importantes no sólo en simulaciones de cargas parciales y de transitorios sino también en plenas cargas. Por otro lado, la precisión del modelo de extrapolación de TGV es alta incluso en condiciones fuera de diseño. / El baix consum de combustible és un dels principals requeriments dels motors de combustió interna actuals per a aplicacions de cotxes de passatgers. Una de les estratègies més usades per a aconseguir eixe fi és l'ús de motors "downsized" (motors més xicotets amb la mateixa potència) el que implica l'ús de turbocompressors. L'adaptament entre ambdues màquines (el turbocompressor i el motor de combustió alternatiu) presenta moltes dificultats degut a la diferent naturalesa entre les turbomàquines i les màquines alternatives. Estes dificultats convertixen el disseny òptim dels motors de combustió interna sobrealimentats en un assumpte complicat. En esta tesi s'ha realitzat un important esforç per a millorar l'enteniment global dels diferents fenòmens físics que ocorren en els turbocompressors i en els motors sobrealimentats. El treball s'ha centrat en el modelatge 1D dels fenòmens ja que les ferramentes 1D juguen actualment un paper principal en el procés de disseny del motor. S'han realitzat tant esforços experimentals com de modelatge per a l'enteniment dels processos de transmissió de calor i de flux de gasos en turbocompressors. Prèviament a l'anàlisi experimental s'ha realitzat una revisió de la literatura disponible en què s'ha analitzat l'estat de l'art del modelatge de transmissió de calor i flux de gasos en turbocompressors. L'esforç experimental de la tesi s'ha centrat en la mesura de diferents turbocompressors en el banc de gas i en el banc motor. En el primer cas, s'ha utilitzat el banc de gas, un ambient més controlat, per a realitzar assajos en diferents condicions. S'han realitzat assajos calents amb i sense aïllament del turbocompressor per a caracteritzar el flux de calor extern. A més, s'han realitzat assajos adiabàtics per a comparar l'efecte de la transmissió de calor sobre diferents variables del turbocompressor i per a la validació dels models de flux de gasos de la turbina. En el banc motor s'han realitzat assajos a plena càrrega i a càrregues parcials per a usar-los en la validació. Per a la tasca del desenvolupament dels models, el treball es va dividir en models de flux de calor i models de flux de gasos. En el primer cas, s'ha proposat un model general de transmissió de calor per a turbocompressors basat en els turbocompressors mesurats i en dades disponibles de treballs previs de la literatura. Este model inclou un procediment per a l'estimació de les conductàncies conductivas, correlacions de convecció interna i externa i un procediment d'estimació de la radiació. En el cas del modelatge de flux de gasos, s'ha desenvolupat un model estés per a l'extrapolació de mapes de funcionament de TGV tant per al rendiment com per al gasto màssic a més del model de predicció de coeficients de descàrrega en vàlvules de turbocompressors de doble etapa. Finalment, els models han sigut completament validats amb el seu adaptament a un software de modelatge 1D simulant tant el banc de turbos com el motor complet. D'una banda, els resultats de la validació assenyalen que la predicció de les temperatures d'eixida de compressor i turbina millora notablement usant els models desenrotllats. Este resultat demostra que els fenòmens de transmissió de calor són importants no sols en simulacions de càrregues parcials i de transitoris sinó també en plenes càrregues. D'altra banda, la precisió del model d'extrapolació de TGV és alta inclús en condicions fora de disseny. / Dombrovsky, A. (2017). Synthesis of the 1D modelling of turbochargers and its effects on engine performance prediction [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/82307 / TESIS