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One of the market leaders in hydrogen injection systems for internal combustion engines has developed double acting direct injection technology for a wide range of fuel pressures. This thesis outlines the development and validation of a solenoid model which predicts static magnetic forces as well as the development of a dynamic lift model which predicts injector motion and impact forces. The solenoid force model found that iron cobalt can be replaced by iron silicon materials as there performance is comparable. The dynamic lift model shows that the seat and stop impact forces can be calculated which allows engineers to optimize injector designs before prototypes are built. These models allow engineers to optimize the performance and geometric parameters of the double acting technology in preparation of series production.

Thesis (Ph. D.)--Missouri University of Science and Technology, 2008. / Vita. The entire thesis text is included in file. Title from title screen of thesis/dissertation PDF file (viewed April 28, 2008) Includes bibliographical references (p. 170-176).

Thesis (M.S.)--Mississippi State University. Department of Mechanical Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Orientador: Jose Luz Silveira / Coorientadora: Eliana Vieira Canettieri / Coorientador: Antonio Wagner Forti / Banca: Nestor proenza Pérez / Banca: Ederaldo Godoy Junior / Resumo: O motor Stirling é um motor de combustão externa que opera com diferenças de temperaturas, produzindo trabalho mecânico e eletricidade. Esse tipo de motor opera em um ciclo fechado, que através do uso de uma fonte quente e uma fria, expande e comprime um fluido de trabalho (ar, hélio ou hidrogênio, dentre os mais comuns), fornecendo assim o movimento de um pistão. Pode operar com calor residual e também com a queima de qualquer tipo de combustível (gás natural, diesel, gasolina, etc). Essa tecnologia tem se destacado para o desenvolvimento de sistemas que operam com biocombustíveis (biogás e syngas) e com energias renováveis, como por exemplo, caso de uso de concentradores solares. Este trabalho tem como objetivo estudar as performances termodinâmica, econômica e ambiental de um sistema Stirling operando com sistema de alimentação a biogás e energia solar, aplicado para a geração de energia elétrica descentralizada. São realizados estudos dos aspectos termodinâmicos do ciclo Stirling, com foco no funcionamento e no trabalho do motor. São efetuadas análises técnicas do sistema operando com câmara de combustão a biogás e utilizando energia de concentrador solar parabólico. Em etapa final são analisados e comparados os aspectos econômicos e ambientais do sistema acionado por biogás e energia solar. Os resultados obtidos mostraram pela teoria de Schmidt uma eficiência do motor Stirling de 67%. Da análise econômica, fica evidente que um maior número de horas de operação corrobora ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The Stirling engine is an external combustion engine that operates at varying temperatures, producing mechanical work or electricity. This type of engine operates in a closed cycle, which through the use of a hot and cold source expands and compresses a working fluid (air, helium or hydrogen, among the most common), thus providing the movement of a piston. It can operate with residual heat and also with the burning of any type of fuel (natural gas, diesel, gasoline, etc.). This technology has been outstanding for the development of hybrid systems that operate with biofuels (biogas and syngas) and with renewable energies, as for example, case of use of solar concentrators. This work aims to study the thermodynamic, economic and environmental performances of a Stirling system operating with a biogas and solar energy supply system, applied for the generation of decentralized electric energy. Studies are carried out on the thermodynamic aspects of the Stirling cycle, focusing on the operation and work of the engine. Technical analysis of the system is carried out using a biogas combustion chamber and using parabolic solar concentrator energy. In the final stage are analyzed and compared the economic and environmental aspects of the system activated by biogas and solar energy. The results showed that through the thermodynamic analysis by the Schmidt theory, a Stirling engine efficiency of 67% was obtained. From the economic analysis, it is evident that a greater number of hours of operation corroborates with economic viability. As for the environmental aspects, the ecological efficiency value of the Stirling engine operating biogas is 98.02%. In the case of the solar system using concentrator to power the Stirling engine, the ecological efficiency indicates is about 98%. It is concluded that the use of renewable sources, allow good levels of efficiency of electric power ... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

O avanço no estudo da simulação numérica somado ao crescimento da capacidade computacional tem possibilitado a solução numérica de problemas de engenharia cada vez mais complexos. Modelos numéricos mais acurados e robustos têm sido desenvolvidos, aproximando os resultados numéricos dos experimentais. Neste caminho, o presente trabalho tem como objetivo a análise numérica comparada a dados experimentais de ondas de pressão na admissão de ar de um motor de combustão interna, se utilizando do método dos volumes finitos. Para isso, utilizou-se a pressão colhida experimentalmente na porta da válvula como condição de contorno e obteve-se a pressão nos pontos de monitoramento ao longo do domínio. Esta situação física trouxe diversos problemas a serem solucionados ao longo da história, sendo então resolvido no presente trabalho se utilizando do esquema de Runge-Kutta para integração explícita no tempo fictício e do esquema Three-Point Backward Difference (BDF2) para integração implícita no tempo físico. Isto é, se utiliza do Dual Time-Stepping (DTS) na integração temporal, pois usa a matriz de pré-condicionamento para condicionar a solução do problema para escoamentos compressíveis e incompressíveis em todas as velocidades, e esta matriz deteriora a acuracidade temporal que é devolvida pelo DTS. O tratamento dos fluxos invíscidos foi baseado no método da separação dos fluxos de Roe, através do pacote computacional Star CCM+. Percebeu-se que o método se encaixa muito bem na situação estudada, modelando o comportamento físico realisticamente. A velocidade de propagação das ondas de pressão e suas amplitudes são muito próximas dos valores experimentais, tendo os gráficos de seu comportamento em todos os pontos de monitoramento, boa concordância com os gráficos gerados experimentalmente. / The advance in the field of numerical simulation added to the growth of computational capability has enabled the numerical solution of engineering problems become more and more complex. More accurate and robust numerical models have been developed, approximating the numerical and experimental results. In this way, this work aims at the numerical analysis compared to experimental data of pressure waves in the air intake of an internal combustion engine, using the Finite Volumes Method. The pressure is experimentally measured in the valve port and inserted as a boundary condition to obtain the pressure in the monitoring points along the domain. This physical situation has brought many problems to be solved throughout history. The present work applied the Runge-Kutta explicit integration in pseudo-time and Three-Point Backward Difference (BDF2) for implicit integration in physical-time. It is used the Dual-Time Stepping (DTS) for temporal integration, and the preconditioning for incompressible and compressible flows at all speeds deteriorates the temporal accuracy which is returned by DTS. The treatment of inviscid flows was based on the Flux Difference Splitting scheme of Roe, through the computational package Star CCM+. The method fits very well the situation under study, modeling the physical behavior realistically. The speed of propagation of pressure waves and their amplitudes are very close to the experimental values, and the graphs of their behavior present at all monitoring points, good agreement with the experimentally generated graphics.

Uma maneira ecologicamente correta de manejar os recursos energéticos disponíveis e reduzir as emissões de gases de efeito estufa é utilizar biocombustíveis ao invés de combustíveis de origem fóssil em motores de combustão interna. Entretanto, o preço mais alto dos biocombustíveis pode ser um fator limitante para o aumento e viabilização do seu uso. Em relação ao etanol, para se obter misturas com mais de 80% de etanol em água o custo de produção cresce exponencialmente. Assim, se misturas de etanol com alto percentual de água, de menor custo, puderem ser utilizadas em motores de combustão interna com sucesso, esse combustível pode se tornar mais atrativo e mais amplamente utilizado. Este trabalho analisa o desempenho de um motor de ignição por centelha operando com etanol em diferentes percentuais de hidratação, através de simulações computacionais e procedimentos experimentais. Foi utilizado um motor monocilíndrico de 0,668L e naturalmente aspirado, com relação de compressão de 19:1 e injeção direta em pré-câmara, ciclo Diesel, foi modificado para operação em ciclo Otto - injeção de combustível no duto de admissão e relação de compressão de 12:1. Testes em dinamômetro foram conduzidos com o etanol hidratado comercial (95% de etanol e 5% de água) e com misturas de etanol e água com maiores percentuais de hidratação (conteúdo volumétrico de até 60% de etanol e 40% de água). Simulação computacional através de software de volumes finitos unidimensional foi utilizada para realizar a análise da combustão. Foi possível alcançar operação estável com misturas de até 40% de água em etanol e ocorreu aumento de eficiência térmica para misturas de até 30% de água. / An environmentally friendly way to manage the available energetic resources and to reduce greenhouse gas emissions is to use bio instead of fossil fuels in internal combustion engines. However, the sometimes higher prices of biofuels can be a limiting factor for their widespread and viable use. Concerning ethanol and its production costs, to obtain above 80% ethanol-in-water mixtures demands an exponentially increasing energy supply. Hence, if a low-cost high water content ethanol could be successfully burned in internal combustion engines it would be even more attractive and extensively used. This work analyzes the performance of a spark ignition engine running with ethanol with different percentages of hydration through numeric and experimental simulations. To achieve this goal, a 0,668L naturally aspirated single cylinder engine, with compression ratio of 19:1 and pre-chamber direct injection, operating at Diesel cycle was modified to operate in Otto cycle - port fuel injection, with a compression ratio of 12:1. Dynamometer tests were carried out with commercial hydrous ethanol (95% ethanol and 5% water) and water-in-ethanol blends with higher hydration levels (volumetric content up to 60% ethanol and 40% water). Computer simulation through one-dimensional finite volume software was carried out to perform a heat release analysis. It was possible to achieve stable operation with up to 40% water-in-ethanol blends and thermal efficiency increase was achieved for blends with up to 30% of water.

A utilização de combustíveis fósseis é percebida, cada vez mais, de forma negativa, visto seus elevados níveis de emissão de gases de efeito estufa. Por conta disso, busca-se a ampliação do uso de combustíveis de origem renovável de forma a diminuir o impacto ambiental. Dentre esses, o etanol se destaca pelas excelentes características físico-químicas. Ao se reduzir o nível de pureza (diluição em agua) durante o processo de destilação desse combustível, obtém-se um sensível decréscimo da energia dispendida na sua produção. Isso se deve ao crescimento exponencial do consumo energético para obtenção de misturas com teor de etanol superiores à 80% v/v. Assim, a possível utilização de misturas superhidratadas, mesmo que apresentem menor poder calorífico, resultam em uma economia direta de energia no processo de obtenção. Dessa forma, esse trabalho avalia o impacto da utilização de misturas de etanol com elevadas concentrações de água em um motor monocilíndrico de testes, com volume deslocado de 0,668 L, injeção de combustível no coletor de admissão, e ignição por centelha. Inicialmente, avaliou-se via testes de bancada o efeito da substituição direta do etanol comercial por misturas com maior hidratação nos parâmetros de desempenho e emissões. Em seguida, buscou-se explorar as características anti-detonantes da água através do aumento da razão de compressão visando ao aumento de eficiência indicada do motor. Por fim, estudos numéricos foram conduzidos de forma a verificar o efeito da concentração de água sobre os valores de velocidade de chama e temperatura adiabática em uma chama livre unidimensional. Foram também determinados os valores de tempo de indução para condições de temperatura e pressão experimentais. Com isso, observou-se a possibilidade de operação com elevadas razões de compressão para maiores percentuais de água com sensível aumento da eficiência indicada e nível de emissões semelhantes ao etanol comercial. O aumento de água causou uma diminuição na velocidade de queima e na temperatura adiabática de chama, enquanto que o tempo de indução possuiu efeitos opostos dependentes da condição de operação. / The use of fossil fuels have faced several restrictions due its higher greenhouse gas emissions during the combustion process in internal combustion engines. Thus, there is an urge aiming to diversify the number of renewable fuels in order to decrease the environmental impact. Among them, ethanol is notorious, presenting excellent physico-chemical properties. Decreasing the ethanol level on ethanol-in-water mixtures after the distillation process, a lower energy expense can be achieved. This is related to the exponential growing in the energy consumption to obtain mixtures containing ethanol in water concentrations higher than 80% v/v. Therefore, the use of highly hydrated mixtures, despite the decrease in heat values, results in energy savings during its production process. This work evaluates the impact of using mixtures containing high water concentrations in a single cylinder engine, 0.668L, with port fuel injection, and spark ignition combustion. The direct replace of commercial ethanol by highly hydrated mixtures was evaluated through dynamometer tests, so performance and emissions parameters were obtained. After this, it was explored the knock resistance increase due to water addition by increasing the compression ratio, aiming at reaching higher indicated efficiency values. Finally, numerical studies were conducted in order to verify the effect of water concentration increase on laminar flame speed and adiabatic flame temperatures in a one dimensional free flame simulation software. In addition, the induction time for temperature and pressure conditions obtained from experimental results was assessed. As conclusions, the increase in water concentration enabled the use of high compression ratios resulting in higher indicated efficiency values than for commercial ethanol with the same exhaust emission concentrations. Higher water volumes resulted in lower laminar flame speeds and adiabatic flame temperatures. In addition, the induction time values presented two different behavior according to the operating conditions.

This thesis investigates the broad subject of thermal management problems currently encountered in Formula One race car design. A computationally economical tool, based on linear superposition, for predicting the temperature field arising from a set of thermal and inlet velocity boundary conditions was developed. Using a set of base analyses, the research showed that it is possible to superpose and scale these results in order to predict the temperature field for differing sets of boundary conditions. This method was shown to have a significant speed advantage over typical computational simulations. An experimental facility was designed and built to provide validation for aspects of the linear superposition approach. A method of measuring the cylinder wall heat flux has been developed using thin film gauge technology. The resulting sensor was designed to fit the mounting of existing instrumentation in order to avoid requiring large scale modifications to existing test facilities. The design makes use of modern rapid prototyping techniques in order to meet this mounting requirement and to provide a novel solution to routing the signal from the thin film gauge. In addition, the research investigated a method for predicting the cylinder wall temperature in real-time. The cylinder wall is subject to heat fluxes from in-cylinder gases during the engine cycle on the inner face and the effect of the coolant jacket on the outer face. Two separate methods were used to process these thermal boundary conditions respectively, before being superposed in order to form the whole solution. The computation time of the method is characterised in order to demonstrate its feasibility for real-time operation.