In the first part of studies, Controlled Auto-Ignition (CAI) combustion was investigated in a Ricardo E6 single cylinder, four stroke gasoline engine. CAI combustion is achieved by employing positive valve overlap configuration in combination with various compression ratios and intake air temperature strategies. The CAI operational region is limited by engine load due to knock and partial burned boundaries. The combustion characteristics and emissions are studied in order to understand the major advantages and drawbacks of CAI combustion with positive valve overlap. The enlargement of the CAI operational region is obtained by boosting intake air and external EGR. The lean-boosted operation elevators the range of CAI combustion to the higher load region, and the use of external EGR allows the engine to operation with CAI combustion in the mid range of region between boosted and N/A CAI operational range. The results are analyzed and combustion characteristics, performance and emissions are investigated. A Ricardo Hydra single cylinder, four stroke optical gasoline engine with optical access is then experimented to investigate CAI combustion through negative valve overlap configuration and an intake heater. The effects of direct fuel injection timings spark timings and air/fuel ratio are studied by means of simultaneous incylinder heat release study and direct visualization, chemiluminescence techniques which uses full, OH radical and CHO species. Both heat release analysis and chemiluminescence results have identified the pressure of minor combustion during the NVO period. Both the charge cooling and local air/fuel ratio effects are also investigated by varying the quantity of direct air injection.

Tougher legal demands on pollutions require a better developed understanding of the processes that take place in the cylinder. The thesis contributes with a cylinder model that uses the same set of equations for intake, compression,expansion/combustion and exhaust. The cylinder model describes the states temperature, pressure and the mass fraction of air.The model is able to simulate the gas exchange with compressible flows over the valves, it handles VVT, CRB and blowby. The combustion is modeled with asingle Vibe function that describes the heat release and the consumption of air.The model is general enough to be able to simulate both SI and CI engines. The calibrations that are needed are the discharge coefficient CD values for intake and exhaust valves, blowby, and heat release/transfer parameters. Furthermore, the engine geometry parameters have to be provided to be able to calculate the instanteneous cylinder volume. The model has shown good agreement for cylinder pressure curves with and without combustion and can handle phasingof the valve lifts. That shows that the model can handle the important casesin combustion engines. It is easy to replace sub models in the cylinder model e.g. single Vibe with double Vibe. In the model, in the cylinder is calculated and the average instantenous torque for the entire engine is calculated from thestates in one cylinder. These two calculations have shown good agreement withthe stationary measurments done in an engine test cell. The model is able to use fixed step lengths for even processor loads, the size of the step lengths are resonable for real time implementation on an ECU.

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.

Determinação do desempenho de um motor à combustão interna com ignição por centelha, sem modificação em sua taxa de compressão volumétrica, usando álcool etílico vaporizado como combustível. Para facilidade de obtenção de dados usou-se um sistema de aquecimento elétrico para a geração do vapor do álcool etílico. Mediu-se as descargas de ar e combustível, a potência no eixo e a temperatura dos gases de escape para vários ângulos de avanço de centelha e rotações do eixo do motor. Os resultados obtidos foram comparados com o desempenho do mesmo motor funcionando com gasolina e álcool, pelo sistema de mistura usando carburador. O processo de vaporização pode ser aplicado a motores do tipo ciclo Otto , que poderão funcionar com álcool etílico ou gasolina, com poucas alterações em seu desempenho. / Performance determination of a spark-ignition combustion-engine, without modification in compression ratio, fueled with etanol vapours. The data acquisition was simplified by the use of an electric heater to generate the etanol vapours. The data acquired are flow of air and fuel, net power and escape gases temperature to various spark advance angles and engine speed. The performance was compared with those obtained with the carburator system motor, gasoline and etanol as fuel. The vaporization process will be applied in Otto cycle engines that may work with etanol or gasoline as fuels, with few performance alterations.

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.

O conceito de um motor rotativo de palhetas é apresentado e o modelo que opera similar aos motores recíprocos dois tempos é analisado. Este motor é formado por estator cilíndrico, rotor descentralizado, palhetas radiais e tampas laterais, similar aos compressores de palhetas radiais. Parâmetros geométricos estão definidos para que o motor possua características similares a dois motores recíprocos comerciais igualmente modelados. Suas geometrias estão detalhadas, assim como a modelagem termodinâmica e suas hipóteses, as quais devido ao caráter comparativo do trabalho não têm grande influência no alcance dos objetivos. Em relação aos motores recíprocos, o novo conceito prospecta algumas vantagens: maior compacidade; menor nível de vibrações; maior facilidade de alteração da razão de compressão; possibilidade de produção e montagem em módulos; e devido a todas estas, as maiores possibilidades para o projeto, fabricação, montagem e operação dos motores. Para melhor entendimento de algumas tendências relativas a estas vantagens, a sensibilidade dos parâmetros geométricos é estudada, com variações nos diâmetros do estator e do rotor, na espessura do rotor e das palhetas, na excentricidade entre rotor e estator, e no número de palhetas do conceito. Este estudo demonstra características únicas do motor rotativo de palhetas, dentre elas, a variação da espessura do rotor se destaca por proporcionar a alteração do tamanho do motor sem modificar os demais aspectos. A excentricidade entre o rotor e estator demonstra grande potencial na capacidade de alterar a razão de compressão do equipamento, inclusive podendo ser modificada após a construção do motor ou até mesmo durante sua operação. Também se destaca o número de palhetas, o qual tem influência direta sobre a curva de torque do ciclo e a efetividade do posicionamento das janelas de admissão e exaustão. Com isto, é concluída a caracterização da geometria e do funcionamento do motor rotativo de palhetas, obtendo uma boa base para as próximas etapas de seu desenvolvimento. / The concept of a rotary vane engine is presented and the model that operates similar to twostroke reciprocating engines is analyzed. This engine is formed by a cylindrical stator, decentralized rotor, radial vanes and side housing plates, similar to the radial vane compressors. Geometrical parameters are defined so that the motor has similar characteristics to two commercial reciprocating engines also modeled. Their geometries are detailed, as well as the thermodynamic model and its assumptions, which due to the comparative nature of the work do not have significant influence in achieving the objectives. With respect to reciprocating engines, the new concept is prospecting some advantages: higher compactness; lowest level of vibration; ease of adjustment of compression ratio; possibility of manufacture and assembly in modules; and due to all these, the numerous possibilities to the design, manufacture, assembly and operation of the engines. For a better understanding of some these advantages trends, the sensitivity of geometric parameters are studied, with variations in the diameters of the stator and rotor, in the thickness of the rotor and the vanes, in the eccentricity between rotor and stator, and in the number of vanes of the concept. This study demonstrates unique rotary vane engine characteristics, among them, the range of rotor thickness stands out for providing a change in engine size without changing other aspects. The eccentricity between the rotor and stator shows great potential for the ability to change the compression ratio of the equipment and can be modified even after the construction or even during operation of the engine. It also highlights the number of vanes, which has a direct influence on the torque curve of the cycle and the effectiveness of the positioning of inlet and exhaust ports. Therewith, the characterization of rotary vane engine geometry and operational design is complete, obtaining a good basis for its next development stages.

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.

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.

Nas últimas décadas, questões sobre o controle de emissões em motores à combustão interna e sobre a redução de consumo de combustível vêm sendo debatidas globalmente, com claros desdobramentos em especificações de controles mais restritos, a fim de permitir a comercialização de novos motores à combustão interna a consumidores mais exigentes, que presam pela qualidade de vida e meio ambiente. Mesmo com a introdução de novas tecnologias, os motores ainda apresentam uma grande perda da energia gerada por conta do atrito mecânico. Com base neste contexto, os projetos dos novos motores visam uma melhor eficiência térmica e mecânica, com auxílio de soluções de engenharia que possam beneficiar o desempenho dos motores, resultando em uma melhor queima do combustível e menor atrito. Um dos contribuintes mais relevantes para o atrito num motor é o sistema pistão-anel de pistão-camisa de cilindro que é o foco de muitos trabalhos em busca da redução das perdas por atrito. As propriedades dos filmes à base de carbono tipo diamante (Diamond-Like Carbon - DLC) são bem conhecidas por apresentam alta resistência ao desgaste e baixo coeficiente de atrito, tornando-se adequados para diferentes aplicações tribológicas. O presente trabalho discute a viabilidade técnica de se aplicar um filme DLC amorfo hidrogenado, com gradiente de composição química, sobre a superfície interna brunida de camisas de cilindro para redução do atrito. A metodologia aborda duas espessuras de filme: 2,5 e 12,5 μm, depositadas pelo processo de deposição química em fase vapor assistida por plasma (PACVD), como alternativa para redução do atrito do motor e, consequentemente, redução no consumo específico de combustível, e ainda na redução do desgaste dos anéis de pistão e da superfície de trabalho da camisa de cilindro. Comparando camisas de cilindro com mesma rugosidade na superfície interna, denominadas camisas de referência (sem revestimento interno) e camisas recobertas com filme DLC, testes de bancada com movimento recíproco de contato mostraram redução do coeficiente de atrito (COF) em até 19%. Testes de motor ciclo Otto e Diesel em banco de prova com dinamômetro conferiram, respectivamente, uma redução da pressão média efetiva de atrito (FMEP) do motor em até 12% e consumo específico de combustível (BSFC) em até 2,5% em rotações de 1000 a 1400 rpm. / In the last few decades questions about emissions level control for internal combustion engines as well as fuel consumption reduction have been debated in a global bases with clear deployments in more restricted control specifications to allow the commercialization of new internal combustion engines to more restrictive markets that look for a better life quality and environment. Even with the introduction of new technologies the engines still present a significant loss of energy due to the mechanical friction. With base in this context, the new development projects seek for high mechanical-thermal efficiency linked with engineer that can benefit the engine performance with a better combustion process and reduced friction as well. One of the most relevant contributors for the friction in an engine is the piston-piston ring-cylinder liner system which has been the focus of many research works with focus on reduce engine friction losses. The properties of Diamond-Like Carbon films (DLC) are well-known such as superior wear resistance and low friction coefficients that makes suitable for many different tribology applications. This work evaluates the application of a graded hydrogen amorphous DLC film with applied over cylinder liner running surface. The methodology approach two coating thickness: 2.5 and 12.5 μm, deposited by the plasma assisted chemical vapor deposition process (PACVD) as the alternative solution for engine friction reduction and thus a reduction on brake specific fuel consumption (BSFC), and a improved wear resistance behavior of the piston rings and cylinder liner contact surfaces as well. By using baseline parts without inner DLC coating and DLC coated parts with similar running roughness surfaces, comparative reciprocating bench tests showed a tendency of coefficient of friction (COF) reduction in up to 19%. In a same trend, fired gasoline and diesel engine tests showed a friction mean effective pressure reduction (FMEP) in to 12% and small brake specific fuel consumption (BSFC) in up to 2.5% at low engine speed range respectively.