A modelagem de motores a combustão interna deve grande parte de sua importância ao uso de unidades de controle eletrônicas que buscam gerenciar as funções do motor. De forma a fornecer melhor suporte para o projetista de controle, a modelagem oferece informações que servem de planta, sobre a qual estratégias de controle serão desenvolvidas. Nesta dissertação, procurou-se estudar e modelar cinco fenômenos: a admissão de ar e de combustível, a produção de energia efetiva através da combustão, a evolução térmica do motor e o comportamento dos gases no sistema de exaustão. Investigou-se também, em todos estes fenômenos, a influência do uso de composição variada gasolina/etanol. Na admissão de ar, buscou-se estudar como a abertura da válvula borboleta e a velocidade do motor influenciam no fluxo de ar admitido, ponderando esta grandeza através de um fator de correção denominado eficiência volumétrica. Na admissão de combustível, no caso modelada para motores com injeção indireta na porta, procurou-se explanar quantitativamente sobre os diversos aspectos que influenciam a evaporação do combustível. Na geração de energia útil, priorizou-se a análise de como as características do motor e da combustão afetam a produção de torque. Na evolução térmica do motor, examinaram-se os principais fluxos energéticos do motor e os aspectos que os influenciam. Ademais, foram executadas as validações dos modelos levantados para o motor EA 111 VHT 1.6l. Os resultados, com seus respectivos erros, podem ser encontrados neste trabalho. / The internal combustion engine modeling owes big part of its importance to the use of electronic control units that aim to manage the engine functions. To provide better support to the control designer, the modeling offers information that can compose the plant, on which control strategies will be developed. In this master thesis, it was sought to study and to model five phenomena: the air intake and the fuel admission, the effective energy production from the combustion, the engine thermic evolution and the gas behavior in the exhaust system. It was also considered how the influence of the gasoline/ethanol varied composition affects all these phenomena. In the air intake, it was studied how the butterfly valve opening and the engine speed influence the intake air flow, pondering this variable through a correction factor named volumetric efficiency. In the fuel admission, in the case of this study modelled for port-fuel injection engines, it was attempted to explain quantitatively the many aspects that influence the fuel evaporation. In the mechanical energy generation, it was prioritized the analysis about how the engine and combustion characteristics affect the torque production. In the engine thermic evolution, it was examined the major energy flows and the aspects that influence them. Also, the validations of the models raised for the EA 111 VHT 1.6l engine were executed. The results, with its respective errors, can be found in this work.

A modelagem de motores a combustão interna deve grande parte de sua importância ao uso de unidades de controle eletrônicas que buscam gerenciar as funções do motor. De forma a fornecer melhor suporte para o projetista de controle, a modelagem oferece informações que servem de planta, sobre a qual estratégias de controle serão desenvolvidas. Nesta dissertação, procurou-se estudar e modelar cinco fenômenos: a admissão de ar e de combustível, a produção de energia efetiva através da combustão, a evolução térmica do motor e o comportamento dos gases no sistema de exaustão. Investigou-se também, em todos estes fenômenos, a influência do uso de composição variada gasolina/etanol. Na admissão de ar, buscou-se estudar como a abertura da válvula borboleta e a velocidade do motor influenciam no fluxo de ar admitido, ponderando esta grandeza através de um fator de correção denominado eficiência volumétrica. Na admissão de combustível, no caso modelada para motores com injeção indireta na porta, procurou-se explanar quantitativamente sobre os diversos aspectos que influenciam a evaporação do combustível. Na geração de energia útil, priorizou-se a análise de como as características do motor e da combustão afetam a produção de torque. Na evolução térmica do motor, examinaram-se os principais fluxos energéticos do motor e os aspectos que os influenciam. Ademais, foram executadas as validações dos modelos levantados para o motor EA 111 VHT 1.6l. Os resultados, com seus respectivos erros, podem ser encontrados neste trabalho. / The internal combustion engine modeling owes big part of its importance to the use of electronic control units that aim to manage the engine functions. To provide better support to the control designer, the modeling offers information that can compose the plant, on which control strategies will be developed. In this master thesis, it was sought to study and to model five phenomena: the air intake and the fuel admission, the effective energy production from the combustion, the engine thermic evolution and the gas behavior in the exhaust system. It was also considered how the influence of the gasoline/ethanol varied composition affects all these phenomena. In the air intake, it was studied how the butterfly valve opening and the engine speed influence the intake air flow, pondering this variable through a correction factor named volumetric efficiency. In the fuel admission, in the case of this study modelled for port-fuel injection engines, it was attempted to explain quantitatively the many aspects that influence the fuel evaporation. In the mechanical energy generation, it was prioritized the analysis about how the engine and combustion characteristics affect the torque production. In the engine thermic evolution, it was examined the major energy flows and the aspects that influence them. Also, the validations of the models raised for the EA 111 VHT 1.6l engine were executed. The results, with its respective errors, can be found in this work.

[pt] Nos últimos anos, a indústria automotiva se reinventou para atender às demandas do mercado, que tem se mostrado competitivo em um contexto com legislações ambientais severas. Uma alternativa para reduzir as emissões de gases de efeito estufa prejudiciais ao longo da vida do veículo são os carros elétricos. No entanto, a produção e o descarte de baterias elétricas ainda é um problema a ser resolvido. Por isso, as empresas também buscam alternativas para aumentar a eficiência do motor de combustão interna e desenvolver tecnologias verdes, como a Ignição por Compressão de Carga Homogênea ou a Ignição por Compressão Assistida por Centelha (SACI). Uma rotina MATLAB foi criada para prever o desempenho da combustão SACI de gás natural usando um modelo termodinâmico de duas zonas. Este trabalho realiza análise de sensibilidade para cinco parâmetros de desempenho: eficiência térmica (Nth), pressão efetiva média indicada (IMEP), emissões de NOx, temperatura média no cilindro (Tavg) e tempo de autoignição (AIT), com várias variáveis como a velocidade do motor (RPM), a razão de equivalência combustível-ar (0s), o tempo da centelha (0s), a razão de compressão (rc) e a pressão de admissão (Pint), usando planejamento de experimentos para avaliar o impacto dos fatores. O Planejamento de Composto Central indica que o RPM e o 0 foram os fatores mais importantes no SACI, uma vez que influenciam todos os parâmetros de desempenho. A Pint foi significativa em três parâmetros de desempenho (Nth, IMEP e Tavg), assim como o 0s (NOx, Tavg e AIT). A rc foi relevante em apenas um deles (AIT). Além disso, uma Análise Univariada foi feita para comparar as técnicas de ignição por centelha (SI) e SACI. Os resultados indicam que os motores SACI tendem a ser cerca de 9% mais eficientes e as emissões de NOx caem mais de 90%. / [en] In the last few years, the automotive industry has reinvented itself to meet the demands of the international market, which has been increasingly competitive in a context with environmental laws each year more severe. One alternative to lower harmful greenhouse gases emissions over the life of the vehicle is electric cars. However, the production and disposal of electric batteries is still a major problem to be solved. Therefore, companies are also searching for other potentialities to increase the internal combustion engine s efficiency and develop green technology, such as Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) or Spark-Assisted Compression Ignition (SACI). A MATLAB routine was created to predict the performance of SACI multimode combustion of natural gas using a two-zone thermodynamic model. This work performs sensitivity analysis for five performance parameters: thermal efficiency (Nth), indicated mean effective pressure (IMEP), NOx emissions, mean in-cylinder temperature (Tavg), and auto-ignition timing (AIT), with several variables such as engine speed (RPM), fuel-air equivalence ratio (0s), spark timing (0s), compression ratio (rc), and intake pressure (Pint), using the design of experiments tools to assess the factors impact. The Central Composite Design indicates that RPM and 0 were the most important SACI factors since they influence all engine performance parameters. The Pint was significant in three performance parameters (Nth, IMEP and Tavg), as was 0s (NOx, Tavg and AIT). The rc, however, was relevant in only one of them (AIT). Furthermore, a Univariate Analysis (UA) was done to compare Spark-Ignition (SI) and SACI engines. The results show that SACI engines tend to be around 9% more efficient, NOx emissions drop notably, more than 90%, IMEP presents an increase of 76%, and Tavg decreases 200-300 K.