Orientador : Ruy de Quadros Carvalho / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Geociencias / Made available in DSpace on 2018-08-03T03:35:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Quintao_RubiaAuxiliadoraConstancio_M.pdf: 421073 bytes, checksum: 4de8bda71e64035e2bc91f8d3772ceb7 (MD5) Previous issue date: 2003 / Mestrado

Este trabalho inicia com uma contextualização histórica e motivação, seguida por revisão bibliográfica nos tópicos discutidos: segurança veicular, crash box, crashworthiness, absorvedores de energia, tubos de impacto, metamodelos, algoritmos genéticos, Planejamento de Experimentos (DoE - Design of Experiments), origami e engenharia, e métodos de otimização na engenharia. Em seguida, o pesquisador propõe um experimento baseado em simulações, avaliando diversas crash box em forma de origami criadas a partir da variação de seus parâmetros dimensionais. Através de um algoritmo baseado em metamodelos, o autor realiza uma análise com o objetivo de maximizar a energia absorvida específica (Specific Energy Absorption - SEA) e a uniformidade de carga (Load Uniformity - LU). A fronteira de Pareto resultante dos dois objetivos é analisada de acordo a exemplos de critérios de decisão, e a configuração escolhida é então comparada a uma crash box da indústria. A configuração escolhida apresenta uma massa quatro vezes menor, e uma uniformidade de carga semelhante à crash box da indústria. Conclui com novas proposições de trabalhos, envolvendo outros métodos de otimização disponíveis. / This research begins with a historical background and motivation, followed by a bibliographic review on the discussed topics: vehicle safety, crash box, crashworthiness, energy absorbers, impact tubes, metamodels, Design of Experiments (DOE), origami and engineering, and optimization in engineering. Next, the researcher proposes a simulation-based experiment, evaluating origami crash boxes created through the variation of several dimensional parameters. Through a metamodel-based algorithm, the author performs an analysis with the objective of maximizing the Specific Energy Absorption (SEA) and the load uniformity (LU). The resultant Pareto frontier of the two objectives is analyzed according to examples of decision criteria, and the chosen design is compared to a crash box from industry. The chosen design presents four times less mass, and a load uniformity similar to the crash box from industry. The research concludes with propositions for new themes, involving other optimization methods available.

O presente trabalho aborda o gerenciamento eletrônico de motores de combustão interna flex, com foco no desenvolvimento de uma estratégia de controle do avanço de ignição em função da ocorrência de combustão anormal conhecida como detonação, para se maximizar o torque de saída do motor. Primeiramente, é desenvolvido um método para a medição da composição de combustível e correção dos parâmetros de tempo de injeção e avanço de ignição, através de um sensor de composição de combustível. Tais parâmetros são definidos através de mapas que trabalham como um sistema de malha aberta. Em seguida, é desenvolvido um método para a leitura e detecção de detonação, em que são estudadas as particularidades do fenômeno para diferentes composições de combustível e a sua relação com a variação da temperatura do gás de escape e torque de saída do motor. Através do método de detecção e do estudo do fenômeno, é desenvolvido uma estratégia para controle do avanço de ignição em função da ocorrência da detonação. Esta abordagem permite ao sistema aumentar o avanço quando não há ocorrência de detonação, mas este avanço adicional é cancelado quando ocorre detonação. O gerenciamento do motor é realizado através de uma ECU de desenvolvimento modelo Flex-ECU, as estratégias de gerenciamento são desenvolvidos através da plataforma ASCET e a aquisição de dados e calibração de parâmetros são executados em uma ferramenta de medição e calibração. Os benefícios que o controle do avanço de ignição traz ao torque do motor são analisados e discutidos em função da rotação e da composição de combustível utilizado. / The present investigation explores the electronic management of internal combustion engines flex fuel, in which the focus is the development of a strategy for the spark advance angle as function of the abnormal combustion occurrence known ad Knock, in order to maximize the output torque. First, a method is developed for measuring the fuel composition and correction of the injection time and spark advance angle parameters through a fuel composition sensor. This parameter is defined through maps that work as an open loop system. Then, a method for detection of knock is developed, the peculiarities of the phenomenon are studied for different fuel compositions and the relationship of the phenomenon with the variation of the exhaust gas temperature and the engine output torque. Through the method of detection and the study of the phenomenon, an algorithm is developed to control the spark advance angle due to the knock occurrence, in which the approach allows the system to increase the angle when there is no occurrence of knock, but this additional angle is reduced when knock is detected. Engine management is performed through a development ECU model Flex-ECU, management algorithms are developed through the ASCET platform and data acquisition and calibration of and parameters is performed through a measurement and calibration platform. The result that the spark advance angle control brings to the engine torque output is analyzed and discussed depending on the rotation and the fuel composition used.

Este estudo tem por objetivo estabelecer os principais critérios de seleção de uma arquitetura elétrica adequada a mercados emergentes, considerando as necessidades de mercado, de legislação, de inovações e/ou novas funções a serem empregadas durante o ciclo de vida de um veículo. Para tanto, o resultado da pesquisa bibliográfica deste trabalho, apresentada na revisão teórica, primeiramente define o significado de arquitetura elétrica, e conta a sua evolução desde os primórdios da indústria automotiva até os dias de hoje, apontando quais são os principais sistemas elétricos existentes atualmente, deixando clara a fundamental importância da eletrônica embarcada na evolução do automóvel. Mostram, ainda, suas principais tendências tecnológicas, além de um descritivo sobre técnicas, critérios e metodologia de desenvolvimento de projetos de arquitetura elétrica empregados hoje na indústria. Na seqüência, o trabalho define os conceitos de mercado emergente e mercado desenvolvido, apontando suas particularidades, volumes de negócio (histórico e projetado), deixando evidente a importância dos mercados emergentes nos dias de hoje para a indústria automotiva mundial e a necessidade de se estabelecer estratégias específicas para estes mercados. Com base na própria pesquisa bibliográfica, somada à análise documental e a entrevistas não-estruturadas com membros ativos da indústria automotiva, foram concebidos os critérios para seleção de arquiteturas elétricas veiculares para mercados emergentes, assim como seus descritores e taxas de substituição (pesos). A definição de pesos e descritores é necessária para a utilização do método de agregação aditiva, método este de tomada de decisão empregado devido a sua capacidade de avaliar simultaneamente diversas alternativas, através de parâmetros qualitativos. Tal método, discutido na metodologia, mostrou-se muito eficiente por permitir uma avaliação dinâmica da análise proposta perante modificações em quaisquer parâmetros existentes. Por fim, o método e os critérios foram finalmente aplicados em dois estudos de caso, selecionados com base em casos reais vivenciados pela indústria automotiva no desenvolvimento de dois projetos: um veículo hatch popular e um veículo sedan médio de luxo, ambos destinados a mercados emergentes. Através do estudo de caso, foi possível confrontar soluções de arquiteturas adotadas no passado, no presente e para um futuro próximo, além de confrontar também soluções adotadas para mercados desenvolvidos e para mercados emergentes. O resultado deste estudo comprovou a necessidade da existência de critérios específicos para mercados emergentes, a coerência destes critérios e a robustez do modelo apresentado. Convém ressaltar que, para o tema em questão (ou estudos de caso), a robustez e consistência do modelo de avaliação obtido e a importância comprovada dos critérios selecionados são pertinentes e válidos, considerando-se o fato de que a definição dos pesos e notas atribuídas ao modelo serem feitas pelo avaliador, nas quais são diretamente dependentes do conhecimento adquirido pela empresa (seja ela montadora ou fornecedora) e vivência do responsável pela avaliação, sujeitando-as, desta forma, a seus próprios conceitos. / The aim of this study is to establish the criteria of election of an electrical architecture tailor-made for the emergent markets, considering the necessities of market, legislation, innovations and/or new functions to be applied during the whole vehicles life-cycle. Due to this, the result of the bibliographical research of this study, defines the meaning of electrical architecture, and shows its evolution since the beginning of the automotive industry up to now, also presenting the main electrical systems available today, making clear the huge importance of the embedded electronics for the evolution of the automobile. This study also presents the technological trends and a brief description of techniques, criteria and development methodology for electrical architecture projects available today in the industry. Here after, the study defines the concepts of emergent market and developed market, showing their characteristics, market share and production volumes (historical and forecast), showing the importance of the emergent markets for the world-wide automotive industry nowadays and the needs for development of specific strategies for these markets. Based on the bibliographical research, documentary analysis and the unstructured interviews with active members of the automotive industry, the criteria for election of electrical architectures for emergent markets was established, as well as their describers and swing-weights. The definition of weights and describers is necessary for the use of the additive aggregation method a decision taking method which has the capacity to evaluate several alternatives simultaneously, through qualitative parameters. Such method, presented in the methodology chapter, was very efficient for dynamic evaluation of the proposals even before changes in its parameters. Finally, the method and the criteria were finally applied in two studies of case, based on real cases of automotive industry when developing two projects: a low-cost hatch vehicle and a mid-size luxury sedan vehicle, both designed for emergent markets. By the study of cases, it was possible to compare solutions of architectures adopted in the past, in the present and for a near future, and also to compare solutions adopted for developed markets and emergent markets. The results of this study proved the necessity of specific criteria for emergent markets, the coherence of the established criteria and the robustness of the adopted model. Regarding the studies of cases, the robustness and consistency of the evaluation model and the proved importance of the criteria are relevant and valid, even considering that the definition of the weights values and grades are always made by the evaluators. It means that they directly depend on the companys know-how and best practices (from carmakers or suppliers) and the professional experience of the evaluator, resulting, someway, in their own values for different companies.

O controle de emissões em veículos pesados está em foco desde a década de 90, com a criação de regulamentações nacionais e internacionais que impõe limites cada vez mais rígidos para as concentrações de poluentes emitidos por estes veículos. O desenvolvimento de novas tecnologias possui papel fundamental neste processo, buscando redução nos níveis de emissões com mínimo impacto negativo no desempenho e no consumo do veículo. Para tanto, o presente trabalho visa avaliar a influência da posição dos dutos de admissão de ar de cabeçotes de motores a combustão interna, especificamente em motores de ignição por compressão (MIC) de 4 válvulas, no escoamento de ar dentro do cilindro. O escoamento do ar e o movimento de swirl são fatores importantes para a mistura e distribuição do combustível injetado, e quando otimizados para uma queima melhor distribuída, contribuem para redução nos níveis de emissões. Procura-se investigar quais direções características dos dutos são determinantes para o escoamento e para o comportamento de swirl do motor através de simulações em fluidodinâmica computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD) utilizando o programa CD-adapco STAR-CCM+®. Os resultados de alguns dos cenários simulados são comparados a resultados de testes experimentais realizados em bancada de medição de swirl, no âmbito de outro trabalho sendo desenvolvido no mesmo grupo de projeto. / The emissions control in heavy-duty vehicles has been in focus since the 1990\'s, with the creation of national and international regulations which impose strict limits for pollutant concentrations released by these vehicles. The development of new technologies has a fundamental role in this process, aiming the reduction of emission levels with minimum impact on the performance and fuel consumption of the vehicle. Therefore, the present study aims to evaluate the influence of the position of intake ports in cylinder heads from internal combustion engines, specifically 4-valves compression-ignition (CI) engines, in the in-cylinder air flow. The air flow and swirl motion are important factors for the mixture and distribution of injected fuel, and when optimized for a better distributed combustion, contribute for the reduction of emission levels. This study investigates the characteristic directions of ports which are determinant for the air flow and swirl behaviour of the engine through Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations using CD-adapco software STAR-CCM+®. The results from a group of simulated cases are compared to experimental test results from another project, developed on the same project group, performed in a swirl meter test rig.

O que se desejou investigar é se a metodologia do Design Thinking (DT) e da Teoria de Resolução de Problemas Inventivos (TRIZ) podem ser utilizadas em conjunto de maneira sinérgica na fase conceitual de um processo de desenvolvimento de produto (PDP) automotivo do tipo APQP (Advanced Product Quality Planning) com a finalidade de alavancar a criatividade na geração de ideias e, ao mesmo tempo, selecionar o melhor conceito para levar às demais fases do PDP. A presente pesquisa busca entender dentro da literatura os pontos fortes e limitações de cada uma das metodologias e, ao mesmo tempo, propõe uma forma de combiná-las à metodologia APQP. O processo proposto é então testado dentro de um projeto de redução de massa de guarnição de carroceria na região da porta de um veículo automotivo de passeio. Como ficará demonstrado, o PDP automotivo do tipo APQP, utilizando a melhoria proposta, se mostra mais eficaz ao alavancar a criatividade ao mesmo tempo que consolida uma fase de conceito dentro do APQP automotivo tradicional. Através desta pesquisa, concluiu-se que ambas as metodologias são sinérgicas e que, portanto, podem trazer melhorias para o atual processo APQP, alavancando a qualidade e assertividade da geração de ideias, bem como apoiando a seleção do melhor conceito a ser levado para as próximas fases. / This research aimed to verify whether the methodology of Design Thinking (DT) and the Theory of Inventive Problem Solving (TRIZ) could be used together synergistically in the conceptual phase of a new product development project (NPD) in the automotive industry through the also know APQP (Advanced Product Quality Planning) process. The main purpose was to leverage the creativity by generating ideas that are more qualified and, at the same time, select the best product concepts to be taken to the next phases of the NPD. This research seeks to understand within the literature the strengths and limitations of each of the methodologies and, at the same time, a proposal is made on how to integrate them into the APQP methodology. The proposed process is then tested in a project of mass reduction of the door body seal of an automotive vehicle. As shall be demonstrated, the automotive NPD, by using the improvement proposal, will become more effective by leveraging the creativity while consolidates a conceptual stage within the APQP. Through this research, it is concluded that both methodologies are synergistic and, therefore, can bring improvements for the current APQP process by leveraging the quality and assertiveness of the generation of ideas, as well as supporting to select the best concept to be taken to the next phases.

O número de swirl de um cabeçote de motor de combustão interna pode ser medido pelo método de vazão em regime permanente. Nesse método o ar é forçado através do cabeçote para diferentes aberturas de válvula. O sensor comumente utilizado nas plataformas para a medição do swirl é o do tipo ISM (impulse swirl meter) que utiliza um retificador de fluxo como o componente principal para capturar o momento angular de rotação do fluxo de ar. Esse trabalho visa encontrar as dimensões geométricas para o retificador de fluxo utilizado em sensor tipo ISM, de tal forma que esse retificador possibilite a realização das medições com a menor interferência possível no resultado final. Dezesseis retificadores de diferentes dimensões foram construídos a partir do processo conhecido como prototipagem rápida. Vários ensaios foram realizados em uma plataforma que utiliza o método de vazão em regime permanente para a medição de swirl em cabeçotes. Para todos os ensaios foi utilizando um mesmo cabeçote de motor diesel como gerador de swirl. No capítulo conclusões são apresentadas as dimensões geométricas que resultaram em menor interferência no fluxo e uma maior eficiência do sensor, bem como sugestões para trabalhos futuros. / The swirl number of a cylinder head can be measured by a steady state flow method in which air is forced through the cylinder head for different valve openings. The sensors commonly used on the swirl measurement platform are of the ISM type (impulse swirl meter) that use a flow straightener as the main component to capture the rotational angular momentum of the air flow. This study objective is to determine the geometric dimensions for the flow straightener used in the ISM sensor, which still allows the measurement but causes the least interference on the measurement result. Sixteen different flow straighteners were constructed by rapid prototyping process. Several tests were performed on a platform that uses the steady state flow method to measure the swirl number of cylinder heads. For all tests the same cylinder head was used as swirl generator. The conclusion chapter presents the geometric dimensions that caused the least interference in the flow and resulted in a greater sensor efficiency, as well as suggestions for future studies.

Existem muitos estudos e publicações focadas no planejamento e desenvolvimento de novos produtos. Porém, o mesmo não é notado em estudos relativos à implantação destes novos produtos e seus processos na área de manufatura. Para tal, é desenvolvido neste trabalho um modelo de referência consistente para a implantação de novos processos de montagem no setor automotivo. O citado modelo contém a descrição das etapas, as verificações de qualidade, as ações e as necessárias validações do produto produzido no processo de produção em série. O teste da consistência e relevância dessa metodologia ocorre por meio da aplicação do modelo proposto, no desenvolvimento de um processo da montagem de componentes na montagem final. Para a sua avaliação, compararam-se os indicadores de um processo existente em dois momentos: um primeiro, com o processo desenvolvido utilizando-se o método tradicional, e em segundo, com o desenvolvimento e implantação deste mesmo processo, utilizando-se o método proposto de desenvolvimento do processo produtivo, somado a uma avaliação qualitativa do modelo de referência, por meio de uma pesquisa, com especialistas reconhecidos do meio automotivo, validando-se assim o modelo proposto. / Currently, there are many studies and publications focused on the planning and development of new products. However, the same is not noted in studies related to the implementation of these new products and their processes in manufacturing area. For this, a consistent reference model is developed for implementation of new assembly processes in the automotive sector. This model contains a description of steps, quality checks, actions and validations required by the product manufactured in the serial production process. The test of consistency and relevance of this methodology occurs through the application of the proposed model, in the development of a process of component assembly in the final assembly. For its evaluation, the indicators of an existing process were compared in two time points: with the process developed using the traditional method, and secondly, with the development and implementation of this same process, using the proposed development method of the production process. This occurred alongside a qualitative evaluation of the reference model through a survey with recognized experts of the automotive environment, thus validating the proposed model.

Este trabalho visa o estudo de uma metodologia de simulação numérica aplicada ao processo de troca térmica do motor de um veículo de passeio. O processo de troca térmica é essencial para evitar o superaquecimento do motor, que provoca o rompimento do filme de óleo lubrificante dos pistões e, conseqüentemente, o seu travamento. Essa metodologia será útil nos estudos preliminares do sistema de arrefecimento de um veículo na fase inicial de projeto por meio de simulações virtuais, o que possibilitará a redução de protótipos, além de proporcionar um ganho em tempo de resposta. A metodologia utiliza um programa comercial de CFD para a simulação do processo de troca térmica no interior do compartimento do motor do veículo. As simulações foram realizadas com base nos testes físicos em túnel de vento que fazem parte do desenvolvimento e projeto de automóveis em condições de operação que representam situações críticas integrantes da vida operacional. Essas condições operacionais de teste, tais como a velocidade do veículo, as cargas térmicas, a potência dos ventiladores e outros parâmetros foram utilizadas como condições de contorno na validação do modelo do veículo. O processo de validação de modelos é composto por: validações de itens isolados do sistema de arrefecimento, avaliação do efeito da densidade de malha computacional de um modelo completo na vazão de ar nos trocadores de calor e simplificações no modelo para a redução do tempo de processamento. Neste trabalho três modelos distintos de veículos foram utilizados, sendo que dois deles para a validação na comparação com os resultados de túnel vento, enquanto o terceiro modelo foi utilizado para a validação da metodologia através de comparações com os dados obtidos nos testes em pista circular. Os resultados das simulações mostraram variações máximas de 5,5% na temperatura do líquido de arrefecimento na entrada do radiador em relação aos testes. A metodologia de simulação mostrou ser uma poderosa ferramenta de otimização durante a fase de desenvolvimento do projeto e complementando os testes físicos para o sistema de arrefecimento veicular. / The present work is applied to a development of a numerical simulation methodology for a passenger vehicle engine cooling process. The heat exchange process is essential to avoid the engine overheat which may result in the piston oil film separation and consequently its halt. This methodology will be useful for the preliminary studies of the cooling system at the initial phase through the virtual simulations which can reduce the number of prototypes and save proposals\' time response. The methodology uses commercial CFD software for airflow simulation and the thermal process at under hood. The simulations were based on the physical wind tunnel tests that are part of the automotive development, with operational conditions representing critical situations experienced by a vehicle in its operating life. The test conditions, such as vehicle speed, thermal loads, fan power and other parameters were used as the boundary conditions for the model validation. The validation process is based on the following phases: validation of the isolated cooling system components, the effect of mesh density at cooling airflow using a complete vehicle model and model simplification in order to improve the processing time. In this work development, three different models were used; two of them for validation with test tunnel data and the third, was used for methodology validation through the circular road test. The simulation results for tunnel and circular road showed 5.5% of differences for the radiator coolant inlet temperature when compared with physical tests. The methodology of the simulation is a powerful tool for optimization during the development phase and complementing the physical tests for the vehicle cooling systems.

O presente trabalho aborda o gerenciamento eletrônico de motores de combustão interna flex, com foco no desenvolvimento de uma estratégia de controle do avanço de ignição em função da ocorrência de combustão anormal conhecida como detonação, para se maximizar o torque de saída do motor. Primeiramente, é desenvolvido um método para a medição da composição de combustível e correção dos parâmetros de tempo de injeção e avanço de ignição, através de um sensor de composição de combustível. Tais parâmetros são definidos através de mapas que trabalham como um sistema de malha aberta. Em seguida, é desenvolvido um método para a leitura e detecção de detonação, em que são estudadas as particularidades do fenômeno para diferentes composições de combustível e a sua relação com a variação da temperatura do gás de escape e torque de saída do motor. Através do método de detecção e do estudo do fenômeno, é desenvolvido uma estratégia para controle do avanço de ignição em função da ocorrência da detonação. Esta abordagem permite ao sistema aumentar o avanço quando não há ocorrência de detonação, mas este avanço adicional é cancelado quando ocorre detonação. O gerenciamento do motor é realizado através de uma ECU de desenvolvimento modelo Flex-ECU, as estratégias de gerenciamento são desenvolvidos através da plataforma ASCET e a aquisição de dados e calibração de parâmetros são executados em uma ferramenta de medição e calibração. Os benefícios que o controle do avanço de ignição traz ao torque do motor são analisados e discutidos em função da rotação e da composição de combustível utilizado. / The present investigation explores the electronic management of internal combustion engines flex fuel, in which the focus is the development of a strategy for the spark advance angle as function of the abnormal combustion occurrence known ad Knock, in order to maximize the output torque. First, a method is developed for measuring the fuel composition and correction of the injection time and spark advance angle parameters through a fuel composition sensor. This parameter is defined through maps that work as an open loop system. Then, a method for detection of knock is developed, the peculiarities of the phenomenon are studied for different fuel compositions and the relationship of the phenomenon with the variation of the exhaust gas temperature and the engine output torque. Through the method of detection and the study of the phenomenon, an algorithm is developed to control the spark advance angle due to the knock occurrence, in which the approach allows the system to increase the angle when there is no occurrence of knock, but this additional angle is reduced when knock is detected. Engine management is performed through a development ECU model Flex-ECU, management algorithms are developed through the ASCET platform and data acquisition and calibration of and parameters is performed through a measurement and calibration platform. The result that the spark advance angle control brings to the engine torque output is analyzed and discussed depending on the rotation and the fuel composition used.