Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2017.

A potência em um motor de combustão interna depende, dentre outros parâmetros, da proporção da reação da mistura oxidante/combustível. Esses reagentes são oriundos de hidrocarbonetos e do oxigênio disponível no ar atmosférico. Para cada tipo de combustível utilizado, a mistura apresenta diferentes curvas de desempenho do motor, cuja máxima potência disponibilizada está diretamente relacionada ao valor e à posição da pressão desenvolvida no cilindro em cada ciclo. A posição da máxima pressão deve ser ajustada na melhor condição de aproveitamento do mecanismo biela/manivela a partir da variação do ponto de ignição. O valor da pressão varia, fundamentalmente, com a eficiência de conversão de combustível, com a variação do número de mols proveniente da combustão, com a entalpia de vaporização, com a temperatura de funcionamento do motor, e com a relação entre o carbono, o hidrogênio e o oxigênio existente na molécula. Com a finalidade de verificar o ponto de máxima potência desenvolvida no motor em relação à mistura ar/combustível, foram levantadas curvas de potência para cinco combustíveis, quais sejam: gasolina montadora e condensado, etanol (álcool hidratado 98%), tolueno e mtbe. O fator que estabelece a proporção da mistura ar/combustível real na combustão com a mistura quimicamente balanceada (estequiométrica) é designado por λ. Utilizou-se valores de λ >1, caracterizando a mistura pobre, até os valores de λ <1, os quais permitem o funcionamento do motor em condição de mistura rica. Os experimentos foram realizados em um motor ciclo Otto quatro cilindros, montado em um dinamômetro elétrico e monitorado por uma injeção eletrônica programável. O objetivo deste trabalho foi o de estudar, a partir de dados experimentais, a influência de λ na potência efetiva do motor. Os valores de λ de maior potência obtidos ficaram entre 0,85 e 0,90 podendo servir de parâmetro para o mapeamento da injeção de combustível na condição de aceleração do veículo quando se fizer necessário imprimir a máxima potência. A aquisição de tais valores pode auxiliar ainda no desenvolvimento de novas misturas de combustíveis, em que se procura maior desempenho do motor para competições automobilísticas. / The power developed in an internal combustion engine depends, amongst other parameters, on the ratio oxidizer/combustible. These reagents are deriving of hydrocarbons and atmospheric air. For each type of used fuel, the mixture presents different types of performance curves for the same engine, whose maximum available power is directly related to the value and the crank position of the maximum pressure developed in the cylinder, in each cycle. The crank position of the maximum pressure must be rightly placed, with ignition timing changes, in order to get the best exploitation of the rod/crankshaft mechanism. The value of the pressure varies, basically, with the fuel conversion efficiency, with the mole number variation due to combustion, with the enthalpy of formation, the engine’s operating temperature and with the relation between carbon, hydrogen and the existing oxygen in the fuel’s molecule. With the purpose of verifying the point of highest engine power with relation to the air/fuel ratio, curves of power for five different fuels had been raised. These fuels are: condensed gasoline, OEM gasoline, ethanol, toluen and mtbe. The factor that establishes the air/fuel ratio with the stoichiometric mixture is assigned by λ . Values of λ > 1 characterize lean mixture until the values of λ <1 characterize a rich mixture condition. The experiments had been carried with a four cylinders Otto cycle engine, with programmable electronic fuel injection and ignition control, assembled in an eddy current dynamometer. The objective of this work was to verify, from experimental data, the influence of λ in the engine’s output. The λ values for highest power lie between 0.85 and 0.91, being able to act as an input for tuning the fuel injection system for getting better throttle response and maximum power. The acquisition of such values can still assist in new fuel mixtures development, where increase in power and torque are expected.

A potência em um motor de combustão interna depende, dentre outros parâmetros, da proporção da reação da mistura oxidante/combustível. Esses reagentes são oriundos de hidrocarbonetos e do oxigênio disponível no ar atmosférico. Para cada tipo de combustível utilizado, a mistura apresenta diferentes curvas de desempenho do motor, cuja máxima potência disponibilizada está diretamente relacionada ao valor e à posição da pressão desenvolvida no cilindro em cada ciclo. A posição da máxima pressão deve ser ajustada na melhor condição de aproveitamento do mecanismo biela/manivela a partir da variação do ponto de ignição. O valor da pressão varia, fundamentalmente, com a eficiência de conversão de combustível, com a variação do número de mols proveniente da combustão, com a entalpia de vaporização, com a temperatura de funcionamento do motor, e com a relação entre o carbono, o hidrogênio e o oxigênio existente na molécula. Com a finalidade de verificar o ponto de máxima potência desenvolvida no motor em relação à mistura ar/combustível, foram levantadas curvas de potência para cinco combustíveis, quais sejam: gasolina montadora e condensado, etanol (álcool hidratado 98%), tolueno e mtbe. O fator que estabelece a proporção da mistura ar/combustível real na combustão com a mistura quimicamente balanceada (estequiométrica) é designado por λ. Utilizou-se valores de λ >1, caracterizando a mistura pobre, até os valores de λ <1, os quais permitem o funcionamento do motor em condição de mistura rica. Os experimentos foram realizados em um motor ciclo Otto quatro cilindros, montado em um dinamômetro elétrico e monitorado por uma injeção eletrônica programável. O objetivo deste trabalho foi o de estudar, a partir de dados experimentais, a influência de λ na potência efetiva do motor. Os valores de λ de maior potência obtidos ficaram entre 0,85 e 0,90 podendo servir de parâmetro para o mapeamento da injeção de combustível na condição de aceleração do veículo quando se fizer necessário imprimir a máxima potência. A aquisição de tais valores pode auxiliar ainda no desenvolvimento de novas misturas de combustíveis, em que se procura maior desempenho do motor para competições automobilísticas. / The power developed in an internal combustion engine depends, amongst other parameters, on the ratio oxidizer/combustible. These reagents are deriving of hydrocarbons and atmospheric air. For each type of used fuel, the mixture presents different types of performance curves for the same engine, whose maximum available power is directly related to the value and the crank position of the maximum pressure developed in the cylinder, in each cycle. The crank position of the maximum pressure must be rightly placed, with ignition timing changes, in order to get the best exploitation of the rod/crankshaft mechanism. The value of the pressure varies, basically, with the fuel conversion efficiency, with the mole number variation due to combustion, with the enthalpy of formation, the engine’s operating temperature and with the relation between carbon, hydrogen and the existing oxygen in the fuel’s molecule. With the purpose of verifying the point of highest engine power with relation to the air/fuel ratio, curves of power for five different fuels had been raised. These fuels are: condensed gasoline, OEM gasoline, ethanol, toluen and mtbe. The factor that establishes the air/fuel ratio with the stoichiometric mixture is assigned by λ . Values of λ > 1 characterize lean mixture until the values of λ <1 characterize a rich mixture condition. The experiments had been carried with a four cylinders Otto cycle engine, with programmable electronic fuel injection and ignition control, assembled in an eddy current dynamometer. The objective of this work was to verify, from experimental data, the influence of λ in the engine’s output. The λ values for highest power lie between 0.85 and 0.91, being able to act as an input for tuning the fuel injection system for getting better throttle response and maximum power. The acquisition of such values can still assist in new fuel mixtures development, where increase in power and torque are expected.

A potência em um motor de combustão interna depende, dentre outros parâmetros, da proporção da reação da mistura oxidante/combustível. Esses reagentes são oriundos de hidrocarbonetos e do oxigênio disponível no ar atmosférico. Para cada tipo de combustível utilizado, a mistura apresenta diferentes curvas de desempenho do motor, cuja máxima potência disponibilizada está diretamente relacionada ao valor e à posição da pressão desenvolvida no cilindro em cada ciclo. A posição da máxima pressão deve ser ajustada na melhor condição de aproveitamento do mecanismo biela/manivela a partir da variação do ponto de ignição. O valor da pressão varia, fundamentalmente, com a eficiência de conversão de combustível, com a variação do número de mols proveniente da combustão, com a entalpia de vaporização, com a temperatura de funcionamento do motor, e com a relação entre o carbono, o hidrogênio e o oxigênio existente na molécula. Com a finalidade de verificar o ponto de máxima potência desenvolvida no motor em relação à mistura ar/combustível, foram levantadas curvas de potência para cinco combustíveis, quais sejam: gasolina montadora e condensado, etanol (álcool hidratado 98%), tolueno e mtbe. O fator que estabelece a proporção da mistura ar/combustível real na combustão com a mistura quimicamente balanceada (estequiométrica) é designado por λ. Utilizou-se valores de λ >1, caracterizando a mistura pobre, até os valores de λ <1, os quais permitem o funcionamento do motor em condição de mistura rica. Os experimentos foram realizados em um motor ciclo Otto quatro cilindros, montado em um dinamômetro elétrico e monitorado por uma injeção eletrônica programável. O objetivo deste trabalho foi o de estudar, a partir de dados experimentais, a influência de λ na potência efetiva do motor. Os valores de λ de maior potência obtidos ficaram entre 0,85 e 0,90 podendo servir de parâmetro para o mapeamento da injeção de combustível na condição de aceleração do veículo quando se fizer necessário imprimir a máxima potência. A aquisição de tais valores pode auxiliar ainda no desenvolvimento de novas misturas de combustíveis, em que se procura maior desempenho do motor para competições automobilísticas. / The power developed in an internal combustion engine depends, amongst other parameters, on the ratio oxidizer/combustible. These reagents are deriving of hydrocarbons and atmospheric air. For each type of used fuel, the mixture presents different types of performance curves for the same engine, whose maximum available power is directly related to the value and the crank position of the maximum pressure developed in the cylinder, in each cycle. The crank position of the maximum pressure must be rightly placed, with ignition timing changes, in order to get the best exploitation of the rod/crankshaft mechanism. The value of the pressure varies, basically, with the fuel conversion efficiency, with the mole number variation due to combustion, with the enthalpy of formation, the engine’s operating temperature and with the relation between carbon, hydrogen and the existing oxygen in the fuel’s molecule. With the purpose of verifying the point of highest engine power with relation to the air/fuel ratio, curves of power for five different fuels had been raised. These fuels are: condensed gasoline, OEM gasoline, ethanol, toluen and mtbe. The factor that establishes the air/fuel ratio with the stoichiometric mixture is assigned by λ . Values of λ > 1 characterize lean mixture until the values of λ <1 characterize a rich mixture condition. The experiments had been carried with a four cylinders Otto cycle engine, with programmable electronic fuel injection and ignition control, assembled in an eddy current dynamometer. The objective of this work was to verify, from experimental data, the influence of λ in the engine’s output. The λ values for highest power lie between 0.85 and 0.91, being able to act as an input for tuning the fuel injection system for getting better throttle response and maximum power. The acquisition of such values can still assist in new fuel mixtures development, where increase in power and torque are expected.

Um motor ciclo Otto funcionando com injeção direta de gás natural, durante o curso de admissão, foi submetido a ensaios de plena carga em um dinamômetro corrente de Foucaut. Os resultados obtidos revelam um aumento de eficiência volumétrica do motor com injeção direta de GNC em relação à injeção indireta de GNC realizada no coletor de admissão, a montante da borboleta do acelerador. Na adaptação para operação com injeção direta de gás natural, as características técnicas do motor não foram alteradas. Um conjunto de injeção direta de gás natural, com gerenciamento eletrônico, foi inserido no cabeçote do motor de testes. Mantendo-se a pressão da linha de alimentação de gás natural constante, através de uma válvula redutora, a quantidade de combustível injetada no cilindro foi ajustada variando-se o tempo de abertura da válvula elétrica injetora de combustível. Dados de desempenho do motor são comparados, destacando-se os fatores que contribuem para este aumento relativo de eficiência volumétrica. Discute-se ainda, modificações a serem implementadas no motor visando maximizar sua potência com injeção direta de gás natural / Otto cycle engine direct injection natural gas, during the inlet stroke, submitted to runs with full power in a Foucaut dynamometer. The results obtained show a increase in the volumetric efficiency of the engine with natural gas direct injection when compared which natural gas injection apllied in the inlet manifold, upstream of the throttle butterfly. ln the conversion to natural gas direct injection, the technical characteristics of the were not changed. A kit for natural gas direct injection, with eletronic managment, was located on the cylinder head of the test engine. Maintaining the pressure constant in the natural gas fuel line, using a reduction valve. The mass of fuel injected into the cylinder was regulated, varying the opening time of the solenoid valve fuel injector. Engine performance data is compared, emphasizing the factors that contribute to this increase in relative volumetric efficiency. Modifications to be made to maximize the power of the engine with natural gas direct injection

Made available in DSpace on 2014-06-12T17:40:33Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7637_1.pdf: 8527128 bytes, checksum: dfc7e6f1d3aae199c81a9b59ec8ab348 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2005 / Por falta de investimento em geração de energia no setor elétrico nacional, associado ao crescimento da demanda devido ao crescimento da economia brasileira, há uma previsão de um novo racionamento de energia elétrica a partir de 2007. Esta falta de investimento governamental e privado de grande porte torna imperativo que as empresas que não queiram sofrer cortes de produção devido à redução do fornecimento de energia elétrica invistam na geração de energia local. Uma das opções mais importantes para a geração descentralizada de energia é a utilização de grupos geradores utilizando motores de combustão interna. Por isso, é muito importante o conhecimento das condições operacionais de grupos geradores sob diferentes regimes e tipos de carga. Deste modo, este trabalho analisou o funcionamento de um grupo gerador de 30 kWe, visando atender o suprimento de energia elétrica para residências, condomínios e pequenos centros comerciais. O grupo gerador é constituído de um motor, que opera no ciclo Otto e utiliza gás natural como combustível; e um alternador de 37 kVA, sendo acondicionado numa cabine silenciadora. Foi estudada a performance deste grupo gerador operando com cargas elétricas em potências variadas e diferentes tipos de cargas (resistiva, indutiva e desbalanceada). Sob diferentes regimes operacionais foram efetuadas as seguintes atividades: caracterização térmica operacional; verificação da qualidade da energia gerada; verificação dos poluentes gerados e obtenção dos rendimentos térmico e elétrico do grupo gerador. Também foi realizada uma análise econômica baseada nas diferentes condições operacionais deste grupo, ou seja, nas diferentes situações de geração elétrica e finalidades da geração. A análise econômica indicou que o projeto de geração de energia elétrica utilizando grupo gerador pode ser inviabilizado caso opere em condições adversas, ou seja, em cargas parciais e baixo rendimento térmico. Portanto, o grupo gerador deve ser dimensionado para funcionar nas condições ótimas de operação, ou seja, com alto rendimento. Os resultados das análises mostraram as variáveis da operação do grupo em diferentes cargas elétricas, indicando que os gases de exaustão do motor variam em composição de acordo com a carga elétrica gerada. Também foi evidenciado que a carga elétrica gerada tem pouca influência no calor de resfriamento, permanecendo praticamente constante. Porém, a mesma tem grande influência no rendimento do grupo gerador, atingindo 29% de rendimento em carga máxima

Um motor ciclo Otto funcionando com injeção direta de gás natural, durante o curso de admissão, foi submetido a ensaios de plena carga em um dinamômetro corrente de Foucaut. Os resultados obtidos revelam um aumento de eficiência volumétrica do motor com injeção direta de GNC em relação à injeção indireta de GNC realizada no coletor de admissão, a montante da borboleta do acelerador. Na adaptação para operação com injeção direta de gás natural, as características técnicas do motor não foram alteradas. Um conjunto de injeção direta de gás natural, com gerenciamento eletrônico, foi inserido no cabeçote do motor de testes. Mantendo-se a pressão da linha de alimentação de gás natural constante, através de uma válvula redutora, a quantidade de combustível injetada no cilindro foi ajustada variando-se o tempo de abertura da válvula elétrica injetora de combustível. Dados de desempenho do motor são comparados, destacando-se os fatores que contribuem para este aumento relativo de eficiência volumétrica. Discute-se ainda, modificações a serem implementadas no motor visando maximizar sua potência com injeção direta de gás natural / Otto cycle engine direct injection natural gas, during the inlet stroke, submitted to runs with full power in a Foucaut dynamometer. The results obtained show a increase in the volumetric efficiency of the engine with natural gas direct injection when compared which natural gas injection apllied in the inlet manifold, upstream of the throttle butterfly. ln the conversion to natural gas direct injection, the technical characteristics of the were not changed. A kit for natural gas direct injection, with eletronic managment, was located on the cylinder head of the test engine. Maintaining the pressure constant in the natural gas fuel line, using a reduction valve. The mass of fuel injected into the cylinder was regulated, varying the opening time of the solenoid valve fuel injector. Engine performance data is compared, emphasizing the factors that contribute to this increase in relative volumetric efficiency. Modifications to be made to maximize the power of the engine with natural gas direct injection

Este trabalho apresenta um estudo para a qualificação do sensor de detonação como elemento de realimentação para o sistema de controle eletrônico de motores de combustão interna. A metodologia proposta consiste no uso do sensor de detonação, previamente instalado pelo fabricante do motor com a finalidade de eliminar o indesejável efeito da combustão espontânea, para amostrar as vibrações mecânicas produzidas pelo motor em funcionamento. Tal vibração, resultado de massas em movimento e da oscilação natural do sistema excitado pela combustão, produz uma figura espectral na faixa de freqüências do som audível. O método proposto contempla ainda as variações espectrais das vibrações de um mesmo motor operando com diferentes misturas combustíveis. / This dissertation analyses the suitability of using the knock sensor as a feedback element for the electronic control of internal combustion engines. The proposed approach consists of using the knock sensor, originally installed by the engine maker in order to eliminate the spontaneous combustion effect, to sample the mechanical vibration produced by the engine. This vibration, which results from the moving parts and the natural oscillation of the system in combustion, produces an output in the range of audible sound. This research contemplates using the spectral variation of that sound to estimate information about an engine operating with different fuel blends.

Este trabalho apresenta um estudo para a qualificação do sensor de detonação como elemento de realimentação para o sistema de controle eletrônico de motores de combustão interna. A metodologia proposta consiste no uso do sensor de detonação, previamente instalado pelo fabricante do motor com a finalidade de eliminar o indesejável efeito da combustão espontânea, para amostrar as vibrações mecânicas produzidas pelo motor em funcionamento. Tal vibração, resultado de massas em movimento e da oscilação natural do sistema excitado pela combustão, produz uma figura espectral na faixa de freqüências do som audível. O método proposto contempla ainda as variações espectrais das vibrações de um mesmo motor operando com diferentes misturas combustíveis. / This dissertation analyses the suitability of using the knock sensor as a feedback element for the electronic control of internal combustion engines. The proposed approach consists of using the knock sensor, originally installed by the engine maker in order to eliminate the spontaneous combustion effect, to sample the mechanical vibration produced by the engine. This vibration, which results from the moving parts and the natural oscillation of the system in combustion, produces an output in the range of audible sound. This research contemplates using the spectral variation of that sound to estimate information about an engine operating with different fuel blends.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:36:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Valter Barragan Neto.pdf: 3036136 bytes, checksum: ab88f80ccbb35090b829c391e8f0536e (MD5) Previous issue date: 2011-09-27 / General Motors do Brasil / Automotive cylinder liners are mechanical components with the function of internal coating of the cylinder automotive engines. The liners have been made of cast iron, which meets the necessary requirements. The replacement of parts made of steel/ cast iron in aluminum alloys has been made with advantages not only in reducing weight as well as fuel consumption and emission of pollutants. This work has an objective to study the possibility to apply the cylinder liners built in aluminum and silicon alloy on engines with computer aided engineering help. The finite element method consists to generate a mathematical model with computational assistance, of geometry, representing several elements that have in common the node connection, forming the finite element, defined as a mesh. For each node the partial differential equations are solved by numerical methods. This study was aided by finite element software Hyperworks, where the mesh was generated and was exported to Abaqus where were performed the processing of input data. The starting point for the simulation of aluminum liners used in internal combustion engines was to define the format of the mesh for the engine block with less refinement, was chosen a mesh with tetrahedron elements of 4 nodes of with size ranging between 1 mm and 12 mm of edge element. The liners was designed with hexahedron elements of six nodes, which by definition are more consistent and have more accurate answers to the elements tetrahedrons and with a larger refinement, about 1 mm, both elements are first order elements with no nodes on edge s midpoint . In function of the process of manufacturing the liners to be cast by centrifugation, layers of elements were created to meet the variation in the amount of the silicon liner, which in turn affects the physical properties of the liner along the thickness of the wall. With this model it was possible to show the viability of applying these liners in engine blocks of cast iron. The analysis has shown that a prototype could be build in order to test the cylinder liners application and also test the wear of the cylinder liner. / Camisas de cilindro automotivo são componentes mecânicos com a função de revestir internamente os cilindros dos motores automotivos. As camisas de cilindros têm sido feitas de ferro fundido, que atende os requisitos necessários de desgaste e rigidez. A substituição de partes feitas em aço e ferro fundido por ligas de alumínio em veículos têm vantagens não só na diminuição de peso como também no consumo de combustível e emissão de poluentes. Este trabalho teve por objetivo estudar a viabilidade da aplicação de camisas constituídas em liga de alumínio e silício em motores com o auxilio de engenharia assistida por computador. O método de modelagem em elementos finitos consiste em gerar um modelo matemático auxiliado por computador, da geometria, constituída por vários elementos que têm em comum nós de ligação formando os elementos finitos, assim definidos por malha. Para cada um dos nós são resolvidas as equações diferenciais parciais por métodos numéricos. O estudo em elementos finitos foi auxiliado pelos softwares Hyperworks, onde foi gerada a malha e exportada para o Abaqus onde foi realizado o processamento dos dados de entrada. O ponto de partida para a simulação das camisas de alumínio aplicadas em motores de combustão interna foi definir a formato da malha para o bloco com um menor refinamento, foi então escolhida uma malha com elementos tetraédricos de quatro nós de tamanho variando entre 1 mm e 12 mm de aresta de elemento. A camisa foi elaborada com elementos hexaédricos de seis nós, que por definição são mais fiéis e possuem respostas mais precisas que os elementos tetraédricos, e com um refinamento maior, cerca de 1 mm, ambos de primeira ordem sem nós intermediários nas arestas. Em função do processo de fabricação da camisa ser a fundição por centrifugação, camadas de elementos foram criadas a fim de satisfazer a variação da quantidade de silício da camisa, que por sua vez afeta as propriedades físicas da camisa ao longo da espessura da parede. Com este modelo foi possível mostrar a viabilidade da aplicação dessas camisas em motores com blocos de ferro fundido. As análises mostraram que um protótipo poderá ser construído para testar a aplicação destas camisas e testá-las quanto ao desgaste.