Master’s thesis deals with the description of cranktrain friction and presents and describes experimental cranktrain friction loss evaluations and computational cranktrain friction loss evaluations. The main problem is the creating software solution of selected computational friction loss evaluations that leads to calculation of cranktrain friction losses. Master’s thesis describes chosen computational friction loss methods and the subsequent creation of the software solution. After application on chosen internal combustion engine, it evaluates the results and draws conclusions about functionality of the software solution.

The aim of this thesis is to design Husqvarna FE 501 turbocharged engine piston for Formula Student competition using bioethanol as its fuel. Proposed concept originates in background research on design solutions of modern combustion engine pistons. FEM simulations are used for piston design.

Neste trabalho, foram determinadas as propriedades de tração, fadiga convencional e fadiga por fretting, do aço DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18) nitretado por plasma, usado na fabricação de anéis de pistão de motores de combustão interna. Os corpos de prova tratados a 500ºC durante 5 horas. O material nitretado não apresentou valores de alongamento e redução de área possíveis de serem medidos e, tanto o limite de escoamento como o limite de resistência à tração, tiveram valores próximos aos do material temperado e revenido. Os ensaios de fadiga convencional e fadiga por fretting foram realizados em temperatura ambiente, sob carregamento cíclico tração-tração com R=0,1 e freqüência de 30 Hz. O fretting foi conseguido pressionando blocos de contato, feitos a partir de um ferro fundido cinzento, contra o corpo de prova de fadiga, com uma força normal de 100 N. Com o levantamento das curvas S-N para os dois ensaios, foi obtido o fator de redução de resistência FRR=1,62, que o fenômeno de fretting causa na fadiga convencional. Nos ensaios de fadiga por fretting, o pico da força de atrito aumentou com a tensão axial cíclica aplicada, atingindo um valor mínimo de 28 N e no máximo de 76 N. A camada nitretada apresentou microdureza máxima 1288 HV100 e espessura da camada de 91 &#956m. A metalografia revelou na camada nitretada, uma camada de compostos, a zona de difusão e uma zona de transição para o subtrato bem definidas. Foram encontrados nitretos dos tipos &#949 (Fe2-3N) e &#947\'(Fe4N) na superfície da camada nitretada. A análise fratográfica, revelou, em tração, o trincamento da superfície devido à baixa tenacidade da camada nitretada, além da programação de trincas por fadiga abaixo da camada nitretada, nos ensaios de fadiga convencional. Os ensaios de fadiga por fretting produziram acumulação de detritos e a formação de trincas secundárias na área ) na área de contato de fretting. / In the present work, the fretting and plain fatigue properties of plasma nitrided martensitic stainless steel, DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18), used in piston rings, were investigated. Both fretting and plain fatigue specimens were treated at 500°C for 5 h. The fretting pads were made of gray cast iron. Both fretting and plain fatigue tests were carried out under a load-controlled condition under stress rate, R=0.1 and frequency of 30 Hz. The S-N curves generated with and without fretting showed the strength reduction factor SRF=1.62 when fretting was applied. In the fretting fatigue, frictional force increased with axial cyclic stress and reached a minimum value of 28 N and maximum value of 60 N. Microhardness measurements have shown that the nitrided case presented a maximum hardness of 1288 HV100 and thickness of 91 &#956m. X-ray diffraction techniques indicated that the compound layer consists of &#949 (Fe2-3N) and &#947\' (Fe4N) phases. Fractographic observations showed superficial cracking in tensile specimens due to the low toughness of the nitrided case and fatigue crack growth below this layer in plain fatigue specimens. Fretting fatigue tests produced accumulation of debris and the formation of secondary cracks at the contact area.

Neste trabalho, foram determinadas as propriedades de tração, fadiga convencional e fadiga por fretting, do aço DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18) nitretado por plasma, usado na fabricação de anéis de pistão de motores de combustão interna. Os corpos de prova tratados a 500ºC durante 5 horas. O material nitretado não apresentou valores de alongamento e redução de área possíveis de serem medidos e, tanto o limite de escoamento como o limite de resistência à tração, tiveram valores próximos aos do material temperado e revenido. Os ensaios de fadiga convencional e fadiga por fretting foram realizados em temperatura ambiente, sob carregamento cíclico tração-tração com R=0,1 e freqüência de 30 Hz. O fretting foi conseguido pressionando blocos de contato, feitos a partir de um ferro fundido cinzento, contra o corpo de prova de fadiga, com uma força normal de 100 N. Com o levantamento das curvas S-N para os dois ensaios, foi obtido o fator de redução de resistência FRR=1,62, que o fenômeno de fretting causa na fadiga convencional. Nos ensaios de fadiga por fretting, o pico da força de atrito aumentou com a tensão axial cíclica aplicada, atingindo um valor mínimo de 28 N e no máximo de 76 N. A camada nitretada apresentou microdureza máxima 1288 HV100 e espessura da camada de 91 &#956m. A metalografia revelou na camada nitretada, uma camada de compostos, a zona de difusão e uma zona de transição para o subtrato bem definidas. Foram encontrados nitretos dos tipos &#949 (Fe2-3N) e &#947\'(Fe4N) na superfície da camada nitretada. A análise fratográfica, revelou, em tração, o trincamento da superfície devido à baixa tenacidade da camada nitretada, além da programação de trincas por fadiga abaixo da camada nitretada, nos ensaios de fadiga convencional. Os ensaios de fadiga por fretting produziram acumulação de detritos e a formação de trincas secundárias na área ) na área de contato de fretting. / In the present work, the fretting and plain fatigue properties of plasma nitrided martensitic stainless steel, DIN 1.4112 (DIN X 90 Cr Mo V 18), used in piston rings, were investigated. Both fretting and plain fatigue specimens were treated at 500°C for 5 h. The fretting pads were made of gray cast iron. Both fretting and plain fatigue tests were carried out under a load-controlled condition under stress rate, R=0.1 and frequency of 30 Hz. The S-N curves generated with and without fretting showed the strength reduction factor SRF=1.62 when fretting was applied. In the fretting fatigue, frictional force increased with axial cyclic stress and reached a minimum value of 28 N and maximum value of 60 N. Microhardness measurements have shown that the nitrided case presented a maximum hardness of 1288 HV100 and thickness of 91 &#956m. X-ray diffraction techniques indicated that the compound layer consists of &#949 (Fe2-3N) and &#947\' (Fe4N) phases. Fractographic observations showed superficial cracking in tensile specimens due to the low toughness of the nitrided case and fatigue crack growth below this layer in plain fatigue specimens. Fretting fatigue tests produced accumulation of debris and the formation of secondary cracks at the contact area.

V rámci této práce byl vyvinut komplexní simulační nástroj, vycházející z výpočtového modelování fyzikálních a chemických dějů, který je doplněn vhodnými matematickými postupy. Výsledný software je schopen stanovit ztrátový výkon sady pístních kroužků pomocí účinků klíčových mechanismů a jejich vzájemné interakce při standardním provozu pístních kroužků. Simulační výstupy byly navrženy v souladu se zájmy průmyslové praxe, např. určení objemového toku plynů pístní skupinou, ztrátové výkony vlivem tření a spotřeba oleje, která je ovlivněna sadou pístních kroužků. Při vývoji simulačního modelu byly technické experimenty vykonány na tříválcovém zážehovém motoru za účelem získání vstupních dat a ověření výsledků. Možnosti navrženého simulačního nástroje jsou na tomto motoru dále demonstrovány v podobě parametrických studií, využitelných zejména při návrhovém procesu. Cílem dizertační práce bylo zaplnit mezeru ve výzkumné oblasti simulačních nástrojů, které mohou účinně propojit výpočtové modelování třecích ztrát a současně i spotřeby oleje, a podpořit tak výrobce pístních kroužků a vývojová oddělení spalovacích motorů.

O presente estudo descreve as alterações metalúrgicas e topográficas do cilindro de blocos de motor de combustão interna fabricados em ferro fundido cinzento, após a realização de testes de durabilidade em dinamômetro. O motor testado tem tecnologia Flex-Fuel, e pode ser operado com qualquer proporção de mistura gasolina comum/etanol. Um motor foi testado com combustível etanol e o outro com gasolina comum, buscando-se assim representar duas condições extremas de trabalho em termos de combustível. A pesquisa constituiu-se da revisão bibliográfica e da parte prática que envolveu: a realização de testes de durabilidade de motor em dinamômetro; a caracterização metalúrgica e topográfica do cilindro após teste com ambos os combustíveis, utilizando técnicas de microscopia eletrônica de varredura, metalografia por microscopia óptica, perfilometria e quantificação de parâmetros de rugosidade, entre outros; a análise crítica, discussão dos resultados e apresentação da conclusão. / The present study approaches the metallurgical and topographical alterations on the cylinder of an internal combustion engine block made of gray cast iron, after durability dynamometer tests. The tested engine has flexible fuel technology (Flex-Fuel), and is capable to work with both gasoline/ethanol fuels, in any mixture proportion. One engine has been tested with ethanol and another one tested with gasoline, and so representing two extreme conditions on which the engine may work in terms of fuel. The research has been developed basically through the conceptual approach by the bibliographic review and the experimental steps that involved: general engine durability test at dynamometer bench; metallurgical and topographic characterization analysis at laboratory, after the test with both fuels, applying Scanning Electronic Microscopy SEM, optical microscopy metallography, profilometer and roughness parameters quantification, and so forth; critical analysis on the results, discussion and final conclusion.

O presente estudo descreve as alterações metalúrgicas e topográficas do cilindro de blocos de motor de combustão interna fabricados em ferro fundido cinzento, após a realização de testes de durabilidade em dinamômetro. O motor testado tem tecnologia Flex-Fuel, e pode ser operado com qualquer proporção de mistura gasolina comum/etanol. Um motor foi testado com combustível etanol e o outro com gasolina comum, buscando-se assim representar duas condições extremas de trabalho em termos de combustível. A pesquisa constituiu-se da revisão bibliográfica e da parte prática que envolveu: a realização de testes de durabilidade de motor em dinamômetro; a caracterização metalúrgica e topográfica do cilindro após teste com ambos os combustíveis, utilizando técnicas de microscopia eletrônica de varredura, metalografia por microscopia óptica, perfilometria e quantificação de parâmetros de rugosidade, entre outros; a análise crítica, discussão dos resultados e apresentação da conclusão. / The present study approaches the metallurgical and topographical alterations on the cylinder of an internal combustion engine block made of gray cast iron, after durability dynamometer tests. The tested engine has flexible fuel technology (Flex-Fuel), and is capable to work with both gasoline/ethanol fuels, in any mixture proportion. One engine has been tested with ethanol and another one tested with gasoline, and so representing two extreme conditions on which the engine may work in terms of fuel. The research has been developed basically through the conceptual approach by the bibliographic review and the experimental steps that involved: general engine durability test at dynamometer bench; metallurgical and topographic characterization analysis at laboratory, after the test with both fuels, applying Scanning Electronic Microscopy SEM, optical microscopy metallography, profilometer and roughness parameters quantification, and so forth; critical analysis on the results, discussion and final conclusion.