As legislações com restrições nos níveis de emissões de poluentes e a grande concorrência entre as montadoras fomentaram o desenvolvimento de sistemas mais eficientes de gerenciamento de motores a combustão interna. Entretanto, a falta de sensores que identifiquem as propriedades da combustão, e que sejam economicamente viáveis, dificulta o desenvolvimento de novos sistemas. Visando suprir parte dessas limitações, este trabalho propõe o uso do sensor de corrente iônica com duas finalidades: identificação dos fenômenos de combustão e detonação. Para identificação da combustão, atualmente é utilizado o sensor de fase instalado no motor, o que encarece o sistema de gerenciamento. Uma alternativa a este sensor seria utilizar a vela de ignição, já instalada dentro do cilindro do motor, como sensor de ionização da mistura ar/combustível durante a queima. Comparando a área sob a curva do sinal da corrente iônica durante a combustão com a área sob a curva durante a admissão, foi possível verificar que é viável a utilização do sinal da corrente iônica para substituição de uma funcionalidade do sensor de fase. Quanto à identificação do fenômeno da detonação, foi mostrado que o uso do sensor de corrente iônica possibilita a remoção do sensor de detonação. Para isso, foi realizada a correlação entre a energia de uma faixa de frequências dos harmônicos do sinal da corrente iônica com a energia do sinal proveniente do sensor de detonação. Dessa forma, este trabalho mostrou que é possível usar somente as velas de ignição, já presentes no veículo, como sensores. Além disso, os resultados positivos obtidos propiciam oportunidades para novas aplicações e novas pesquisas. / The laws that restrict pollutant emission levels and the competition among manufacturers fostered the development of more efficient internal combustion engine management systems. However, the lack of sensors to identify the properties of combustion, and which are economically viable, hinders the development of new systems. In order to address such limitations, this investigation proposes using the ionic current sensor with two purposes: identification of combustion and knock phenomena. The combustion identification is currently identified by the camshaft position sensor installed in the motor, which becomes more expensive for the management system. An alternative is using the spark plug, already installed inside the engine cylinder, such as ionization sensor of air/fuel mixture during combustion. Comparing the area under the curve of the ion current signal during combustion to the area under the curve during admission, it was found that it is feasible the use of ionic current signal to replace one feature of the camshaft position sensor. Concerning the identification of the knock phenomenon, it was shown that the use of the ionic current sensor allows the removal of the knock sensor. For this, the correlation between the energy signal in a frequency range of the ionic current harmonic with the energy of the signal from the knock sensor was performed Therefore, the use of spark plugs as sensors is very promising, in replacement to two existing sensors. Moreover, the positive results provide opportunities for new applications and researches.

Um sistema de detecção de falhas deve incorporar técnicas de raciocínio que possam identificar um sinal de falha sob condições de incerteza. Nesse contexto, os modelos explorados na teoria de sistemas inteligentes, configurados para detectar falha, apresentam maior confiabilidade e versatilidade do que os modelos matemáticos convencionais. Este trabalho focaliza o estudo de caso de detecção de falhas em motores de combustão interna a pistão, em que foi escolhida a abordagem utilizando lógica nebulosa (fuzzy logic) na elaboração dos detectores de falhas no sistema de injeção e no sistema de ignição. Foram consideradas falhas no sistema de injeção as condições denominadas "mistura rica" e "mistura pobre", relativas às condições do combustível, e as falhas no sistema de ignição as do tipo detonação e rendimento térmico baixo. Essas falhas podem ser responsáveis por comprometer o desempenho do motor, reduzir a sua vida útil, aumentar os custos de manutenção e a emissão de poluentes e colocar em risco a segurança de pessoas. No sistema em foco, os detectores de falha de injeção e de ignição detectam a condição de falha através da observação das seguintes variáveis: ângulo de ignição, rotação e taxa de mistura ar/combustível. Para avaliar o sistema foi desenvolvido um simulador que incorpora a dinâmica do motor, um controlador e o sistema detector de falhas. O modelo do motor de combustão interna a pistão, elaborado dentro do ambiente computacional AMESim 4.2.1, considera uma configuração de quatro cilindros, oito válvulas, quatro sistemas de injeção indireta (um para cada cilindro), ignição por centelha, válvula borboleta, válvulas de admissão e escape, árvore de manivela e outros componentes que compõem um motor de combustão interna. Para controlar as variáveis do modelo no programa AMESim a uma dada condição de operação, o simulador apresenta uma unidade de controle, a qual recebe o sinal de pressão média efetiva, disponível no modelo do motor (ambiente AMESim) e o sinal de carga variável, com o objetivo de calcular a rotação responsável em definir a condição de operação do motor. Uma vez calculada a rotação, a unidade de controle calcula a vazão de combustível que é injetado no motor, o ângulo de abertura da válvula borboleta que proporcionará o estado de aceleração e desaceleração e o ângulo de ignição que indicará o momento da centelha. A unidade de controle e os detectores de falhas foram elaborados no ambiente computacional MATLAB 6.5/Simulink. O funcionamento combinado, via interface de comunicação dos dois ambientes computacionais, propicia uma representação adequada e resultados próximos às características de um motor de combustão real. Ao detectar as falhas provocadas intencionalmente no simulador a abordagem utilizando a lógica nebulosa apresentou resultados satisfatórios, com uma margem de erro de 0% na detecção de falhas no sistema de ignição e uma margem de erro no máximo de 5% na detecção de falhas no sistema de injeção, comprovando-se, assim, a adequação e viabilidade da proposta.

O objetivo do seguinte trabalho é um novo modelo de câmara de combustão do tipo RQL ("Rich-Quench-Lean" na língua inglesa) para turbinas a gás. A combustão acontece em duas fases; a primeira com deficiência de oxidante ou rica em combustível, e a segunda é pobre em combustível. Esta estrutura de combustão permite a conciliação de baixas emissões de NOx e produtos de combustão de oxidação parcial, como monóxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados e fuligem. A idéia dos combustores RQL tradicionais é a injeção estagiada de combustíveis através da câmara, criando algumas regiões de combustão desfavoráveis à formação do NOx. Mas no novo conceito aqui proposto, essas condições não favoráveis à formação do NOx são alcançadas através do controle da dinâmica da mistura entre os reagentes no interior da câmara, favorecendo algumas vantagens em relação ao processo RQL tradicional. Entretanto, para a combustão pobre na câmara secundária, dependendo dos parâmetros de operação, algumas oscilações acústicas ocorrem. Portanto, o presente trabalho trata da influência desses parâmetros operacionais: razão de equivalência, número de Reynolds do jato de combustível, número de "swirl", e razão comprimento/diâmetro da câmara primária (L/D), sobre as instabilidades acústicas. Os resultados mostram que aumentando o número de "swirl", e reduzindo o número de Reynolds do jato combustível, as oscilações de combustão podem ser atenuadas. Além disso, a mais alta razão L/D investigada foi 3, e para esta situação bons resultados foram observados para atenuação de instabilidades. Apesar das dificuldades para entender o complexo fenômeno de instabilidade de combustão, este trabalho apresenta algumas recomendações para controlar as oscilações em câmaras de combustão do tipo RQL para turbinas a gás.

Este trabalho teve por objetivo apresentar um estudo de comparativo entre dois tipos de contaminantes tipo poeiras denominado padrão (ISO Coarse e ISO Fine) e um tipo de poeira coletado de uma fazenda de cana-de-açúcar da região de Ribeirão Preto do estado de São Paulo. Os resultados da caracterização dos três tipos de poeira, ISO Coarse, ISO Fine e Ribeirão foram apresentados através dos ensaios: FT- IR, Raio-X, MEV/EDS, Filtração e posterior análise da porosidade, através dos métodos indiretos e diretos. Um filtro do ar tipo plano, de papel celulose, para aplicação em motores de combustão interna da linha automotiva leve foi utilizado para os ensaios. Nos ensaios de filtração foram determinados os parâmetros de restrição, eficiência e a capacidade de retenção de poeira. Pelo resultado apresentado no ensaio de capacidade de retenção das amostras de poeira ISO Fine e Ribeirão, conduziu para que o estudo da porosidade fosse realizado somente para esses dois tipos de poeira. A porosidade foi analisada pelo método direto e indireto. O método direto consistiu na análise de imagens obtida por microscópio eletrônico de varredura (MEV), da seção transversal da torta de filtração, através de um programa de imagem. A porosidade pelo método indireto foi resultante da aplicação de equações empíricas da literatura adaptadas para tortas de filtração. Os resultados experimentais apresentaram que a poeira de Ribeirão é mais próxima das características da poeira ISO Fine do que a da ISO Coarse.

Sabe-se que um bom projeto de coletor de admissão é um fator importante para um bom desempenho de um motor de combustão interna. Modelos computacionais têm sido usados para simular escoamentos não-permanentes e compressíveis fornecendo assim suporte para melhor projeto do coletor. Neste trabalho, o estudo de escoamento compressível, intermitente e turbulento de fluido newtoniano no interior de cilindros de seção circular tem por objetivo entender os fenômenos que ocorrem dentro de um sistema complexo de dutos que conduzem o ar até os cilindros de um motor. Para tal é necessário primeiramente conhecer quais são estes fenômenos e identificar os parâmetros cruciais que influenciam no processo de solução do modelo matemático em uma geometria simplificada e assim possibilitar a avaliação do sistema em operação em uma geometria complexa. O modelo matemático usado para o escoamento compressível pulsátil dentro do duto circular reto é o URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes). Para resolver as equações governantes do modelo matemático (continuidade, quantidade de movimento, energia e modelo de turbulência) é usado o software ANSYS Fluent CFD. Esta ferramenta é baseada na discretização de volumes finitos. Este trabalho é composto por três etapas. Na primeira etapa a abordagem baseada na pressão é usada resolvendo as equações governantes de forma segregada. Após um estudo de malha, os resultados obtidos mostraram que um duto excitado por um único pulso tem uma resposta periódica com frequência constante, e certo grau de amortecimento ao longo do comprimento do duto. Foi mostrado que o comprimento do duto é o parâmetro de maior influencia no comportamento dinâmico do sistema. Na segunda etapa a mesma geometria foi empregada e o mesmo tipo de abordagem foi usada. Foi observada a resposta dinâmica de uma condição de contorno de pressão oscilante na saída do duto. É possível verificar a importância da compressibilidade do ar que atenua as amplitudes das oscilações de pressão e vazão em massa ao longo do duto. E finalmente, a terceira etapa consistiu em uma geometria complexa, formada por um duto principal, um plenum e dois runners. Como condições de contorno na saída dos dois dutos secundários foram impostas perturbações de pressão de mesma amplitude e fases variáveis, e assim verificada a vazão em massa para cada defasagem pré-estabelecida.

This dissertation describes the known formation mechanisms of pollutant emissions for spark ignition internal combustion engines, the most common pollutants emitted by spark ignition engines, current methods to reduce pollutants emissions and a comparison of industry procedures with one and three-dimensional modeling including detailed surface reaction chemistry model, all used to estimate catalytic converter efficiency. Also, experimental tests were performed to provide exhaust gas composition boundary conditions, and to provide values for current catalytic converter efficiency. The detailed surface reaction chemistry model presented problems into implementation for one and three-dimensional analyzes, presenting zero conversion into one-dimensional analysis and continuous reduction in conversion efficiency for three-dimensional analysis. The industry procedure has been used for a long time, and presented the more realist values and behavior, not justifying the replacement for an analysis that includes chemistry reaction models, either one or three-dimensional.

O conjunto válvula e sede de válvula automotiva cumpre a função de garantir a entrada de ar e materiais combustíveis, a saída dos gases de combustão, bem como de garantir vedação no processo de compressão e combustão em um motor de ciclo Otto e Diesel. Para que funcione conforme o rigor de operação com uma queima limpa e baixa emissão de poluentes, é necessário uso de materiais especiais. Temperaturas extremas dos gases de escapamento, aumentos crescentes das velocidades das válvulas e altas pressões são alguns dos parâmetros que ocasionam desgaste nas válvulas. Os materiais usados na sua produção devem ser caracterizados por boa usinabilidade, baixo desgaste, boa resistência mecânica e de fadiga e boa resistência a corrosão em altas temperaturas. Nesse contexto, esse trabalho teve como foco o desenvolvimento de uma bancada e um método para testar novos materiais para válvulas e sedes de válvulas automotivas, por meio de testes de durabilidade que simulam as condições de desgaste do conjunto de válvulas e sedes de válvulas, bem como um procedimento de análise do desgaste e avaliação do seu comportamento sob diversas condições de operação. Para isso desenvolveu-se um equipamento que, de forma sintética, consiste em sistemas hidráulico, de aquecimento, de resfriamento, rotação de válvulas e controle eletrônico que possibilita simular condições de motores de combustão interna, Otto e diesel. O método permite a variação de parâmetros como temperatura, carga, desalinhamento da válvula em relação à sua sede e rotação da válvula. Tanto as válvulas quanto as sedes de válvulas são testadas em suas geometrias finais. Para confirmação da validade científica da bancada e do o método são apresentados os resultados de testes em dois materiais (SAE HNV-3 Sil1 e SAE EV12 21-2N) que são empregados em válvulas automotivas. Com base na análise de variância (ANOVA), verificou-se que a bancada pode ser utilizada na pesquisa destes novos materiais, pois apresentou resultados compatíveis com os encontrados pelos principais equipamentos de testes existentes no mundo; resistência adequada para testes de longa duração; capacidade de realizar ensaios em altas temperaturas e de reproduzir as principais condições operacionais dos motores de combustão interna.

Este trabalho aborda a utilização de uma geometria representativa de um motor mono cilíndrico, com injeção direta de etanol hidratado e ignição assistida por centelha. A partir da utilização de um código comercial de Dinâmica dos Fluidos Computacional, a malha móvel é criada e as equações governantes são resolvidas. O escopo do trabalho inclui a caracterização do escoamento de ar durante a compressão e a formação de mistura estratificada. É analisado o efeito da geometria da câmara na formação da mesma e sua distribuição ao longo da câmara de combustão. É analisada a influência de parâmetros como: pressão do combustível injetado, início da injeção e massa de combustível injetada. O objetivo final é a obtenção da concentração de combustível ao longo do cilindro, durante o desenvolvimento do jato e o movimento do pistão, além da formação de filme nas paredes da câmara. Tais resultados são de extrema importância para a avaliação de estratégias de injeção que tornem possível a partida a frio de veículos em baixas temperaturas sem a aplicação de sistemas auxiliares. Os resultados, como já eram previstos, mostraram que a pressão e o início da injeção de combustível são parâmetros que influenciam diretamente a evaporação de combustível, assim como a quantidade de filme formado, principalmente no pistão.

Trata do fenômeno da detonação nos motores de combustão interna. Discute os fatores de influência na ocorrência e intensidade de detonação e alguns métodos para sua quantificação. Descreve uma metodologia de quantificação baseada na análise espectral do sinal de pressão da câmara de combustão. A intensidade da detonação é tomada como uma medida da energia das componentes freqüênciais do sinal situadas em uma faixa de freqüências característica deste fenômeno. Inclui os testes preliminares realizados, os fundamentos matemáticos da amostragem e análise espectral utilizada e a importância destes na interpretação dos resultados. Apresenta os resultados obtidos para três velocidades de operação (2000 rpm, 3000 rpm e 4000 rpm) e três condições de avanço de ignição do motor (avanço de fábrica, ignição avançada em 6 graus e atrasada em 4 graus), totalizando 270 ciclos analisados. Comenta as vantagens deste método, que utiliza a pressão da câmara de combustão em vez de sinais de acelerômetros, comumente empregados em sistemas de controle de detonação de motores de ignição por centelha. / This work deals with knock in internal combustion engines. The influence factors on knock occurrence and intensity and some quantification methods are discussed. A knock quantification methodology based on spectral analysis of the combustion chamber pressure signal is described, Knock intensity is taken as a measurement of the energy in the frequential components of the signal inside a frequency range characteristic of the phenomenon. It is presented the preliminary tests, the mathematical background of sampling and spectral analysis and their importance in result analysis. It is reported the results for three speeds (2000 rpm, 3000 rpm and 4000 rpm) and tree ignition advance conditions (factory default, ignition advanced in 6 degrees and delayed in 4 degrees), totaling 270 analyzed cycles. The advantages of this method, which employs the combustion chamber pressure, is also commented, over those which use accelerometer signals, commonly employed in knock controI systems of spark ignited engines.

A rápida evolução do mercado automotivo, em função de maiores restrições sobre as emissões, impulsionou a utilização de várias alternativas para melhorias dos motores diesel, entre elas as mudanças nos seus componentes com o auxílio de ferramentas de modelagem e a utilização de combustíveis alternativos. As características dos combustíveis afetarão a queima e, assim, alteram os resíduos do processo de combustão. Novos combustíveis podem também ser utilizados como uma alternativa para veículos de gerações anteriores com o intuito de reduzir as emissões. Este estudo mostra os efeitos da utilização do Biodiesel B20 e do Biodiesel Amyris em motores de combustão interna. Para isso, foram realizados testes de motores em salas dinamométricas, e seus resultados confrontados e discutidos. Além disso, são abordados os efeitos do combustível no processo da combustão. Esta Dissertação está concentrada, principalmente, na emissão de NOx e de material particulado, que são poluentes mais restritivos perante a Legislação brasileira de emissões CONAMA P7. / The fast evolution of the automotive market, in light of the more restrictive emissions requirements, spurred several alternatives for improvements of diesel engines; among them, changes in the engine components with the aid of modeling tools and use of alternative fuels. The fuel characteristics will affect the combustion and thus combustion process residues. New fuels also can be an alternative for vehicles of previous generations of emissions, aiming of reducing them. This study shows the effects of the B20 biodiesel and Amyris biodiesel in diesel engines. Engine tests were held in dynamometric testing cells and their results were compared and discussed. The effects of the different fuels in the combustion process are also discussed. This work is focused mainly in NOx (nitrogen oxide) and particulate matter emissions, which are more restrictive pollutants regarding the Brazilian emissions legislation CONAMA P7.