Desde o seu surgimento o motor de combustão interna é a alternativa de fornecimento de potência mais utilizada no mundo em veículos de passeio e transporte de cargas. De fato, observa-se no dia-a-dia uma forte dependência da utilização de motores e, atualmente, os estudos visando o seu aumento de eficiência e a diminuição de emissões poluentes estão cada vez mais intensos. Com os grandes avanços ocorridos na disponibilização de computadores, existe uma tendência contínua para a utilização de técnicas computacionais auxiliando no projeto de motores. No entanto, o maior desafio é simular o escoamento altamente tridimensional, turbulento e transiente, com o uso de modelos de turbulência e combustão, que tenham bom compromisso com a física envolvida. Neste âmbito, o presente trabalho tem o objetivo de desenvolver uma validação de metodologias numérica e experimental, para avaliar o comportamento dinâmico e reativo do escoamento em motores de combustão interna. A simulação é aplicada a um motor Honda GX35, que possui vasto uso comercial em roçadeiras, motocicletas de baixo custo e, atualmente, em Veículos Autônomos Não Tripulados (VANT), dentre outros. A análise tem como base soluções numéricas pelo método dos volumes finitos, usando o programa comercial Star-cd/es-ice. Para resolver o escoamento turbulento o modelo adotado foi o k-ω SST, com aproximação para baixo Reynolds e tratamento de parede híbrido. O modelo de combustão ECFM-3Z foi empregado para resolver o escoamento reativo. O combustível utilizado foi metano em mistura estequiométrica. Os resultados numéricos são confrontados com resultados experimentais, com o objetivo de examinar o estado da arte dessas metodologias. Valores transientes de pressão no interior do cilindro, vazão mássica de ar, fração mássica queimada, em relação ao eixo de manivelas e os produtos da combustão são confrontados A presença de recirculações na admissão e no cilindro foram detectadas e discutidas. As evoluções da pressão interna no cilindro e da vazão mássica de ar resultantes da simulação numérica apresentaram um bom comportamento, quando confrontado com dados experimentais. Os resultados da fração mássica de combustível queimado revelam características importantes de funcionamento do motor. / Since its inception, the internal combustion engine is the alternative of delivering power most used worldwide in passenger vehicles and transportation. Indeed, it is observed in day-to-day a strong dependency on the use of engines, and currently studies aiming at its increased efficiency and reduced emissions are becoming more intense. With the great advances in the availability of computers, there is a continuing trend towards the use of computational techniques aiding in the engine designs. However, the main challenge is to simulate the highly three-dimensional, transient and turbulent flows with the turbulence and combustion models, which have good compromise with the involved physics. In this context, this work aims to develop a validation of numerical and experimental methods for evaluating the dynamic and reactive behavior of the flow in internal combustion engines. The simulation is applied to a Honda GX35 engine, which has commercial application in brushcutters, motorcycles of low cost, Unmanned Autonomous Vehicles (UAV), among others. The analysis is based on numerical solutions by the finite volume method, using the commercial software Star-CD / esice. To solve the turbulent flow the model adopted was the k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls The ECFM-3Z combustion model was employed to solve the reactive flow. The fuel used was methane in the stoichiometric mixture. The numerical results are compared with experimental ones, in order to examine the state of art of these methodologies. Transient values of cylinder inside pressure, mass air flow, mass fraction of the fuel burned, in relation to the crankshaft angle and the combustion products are confronted The presence of recirculation in the intake duct and cylinder were detected and discussed. The evolutions of the internal cylinder pressure and mass flow rate of air showed a good behavior, when confronted with experimental data. The results of the burned mass fraction reveal important characteristics of engine operation.

O objetivo do trabalho é o desenvolvimento e a validação de metodologias para simular o comportamento dinâmico do escoamento e da transferência de calor em motores de combustão interna. O trabalho está dividido em duas partes. Na primeira parte, para caracterizar o sistema de admissão de motores de combustão interna, foi fixada a pressão na descarga em diferentes aberturas de válvulas em regime permanente. As análises foram realizadas a partir do coeficiente de descarga. Os dados numéricos foram obtidos utilizando o código comercial de volumes finitos Fluent e comparado com resultados experimentais. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ε e k-ε RNG, com aproximação de alto Reynolds e tratamento padrão nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado partindo-se de uma malha tetra-prisma com subcamadas de 0,02 mm para assegurar o tratamento adequado na parede. Por fim, foi realizada uma análise em regime transiente, comparando-se os resultados do coeficiente de descarga com a utilização de tratamento híbrido e padrão nas zonas próximas às paredes. Como resultado, obteve-se boa concordância entre essas formas. Na segunda parte, é feita uma análise do escoamento transiente na admissão e no interior do cilindro em um motor padrão CFR. O motor foi tracionado com um motor elétrico a 200 rpm sem combustão. Neste, foram empregadas soluções numéricas com a utilização do código comercial em volumes finitos StarCD es-ice, com malha móvel hexaédrica. Os resultados experimentais do coeficiente de descarga, pressão e temperatura foram comparados durante o ciclo. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ω SST, com aproximação de baixo Reynols e tratamento híbrido nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado a partir do coeficiente de descarga na máxima velocidade do êmbolo a 75 graus após o ponto morto superior do ciclo de admissão. Os resultados revelaram a formação de swirl, tumble e cross-tumble e a evolução destes durante o ciclo, como uma informação importante para o desenho da geometria dos coletores de admissão e de escape nos motores de combustão interna. Foi detectada a presença de recirculações nos coletores e no cilindro. Estas foram discutidas ao longo dos resultados. / The objective of the present work is to develop and validate methodologies to simulate the flow dynamics and heat transfer in internal combustion engines. The work is composed by two parts. In the first one, the intake systems of internal combustion engines are simulated considering the steady flow, with fixed pressure drops across the system, at different valve lifts. A discharge coefficient is calculated, based on numerical solutions using the Fluent 6.3 commercial Finite Volumes CFD code and compared with experimental results. Regarding the turbulence, computations are performed with Eddy Viscosity Models k-ε, in its High- Reynolds approach and k-ε RNG variant was also tested. A detailed mesh independence study was performed, arriving in a submillimeter mesh of 523000 tetra-prism cells, including an extrusion layer of 0.02 mm, to assure an adequate wall treatment. This analysis was made considering a transient flow, comparing the results of the discharge coefficient using hybrid treatment and standard in the near wall region, with good agreement. The second part of the present work focuses on a transient flow that occurs in the intake system and inside cylinder of a standard CFR (Cooperative Fuel Research) engine. As a first step the engine has no combustion, but is driven by an electrical motor that provides the desired angular velocity, in this case 200 rpm. Numerical solutions using the StarCD es-ice commercial Finite Volumes CFD code are performed, applying moving hexahedral trimmed meshes, and compared with experimental results of discharge coefficient, pressure and temperature in the cylinder. Regarding the turbulence, computations were performed with Eddy Viscosity Models k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls. A mesh independence study was performed through discharge coefficient, in the maximum piston velocity, at 75 degrees after top dead center. The results revealed the presence of the swirl, tumble and cross-tumble flow patterns, important informations for the design of internal combustion engines. The presence of recirculation at the port and inside the cylinder is detected and discussed in detail.

Uma nova metodologia para a criação de mapas base de injeção eletrônica de combustível para motores de combustão interna de ignição a centelha é apresentada e seu comportamento é comparado com os resultados fornecidos pela metodologia MVEM. A partir da utilização de equacionamentos da literatura, é feita uma modelagem do ciclo ideal Otto para um motor genérico alternativo monocilíndrico de 500 cm³ de volume deslocado. É modelada também uma válvula do tipo borboleta genérica de 0,06 m³ de diâmetro que opera tanto em regime subsônico quanto sônico. A pressão à jusante da borboleta é calculada para aberturas de 5° a 88,64°. Os modelos são acoplados a partir da vazão mássica de ar admitida, que é o parâmetro principal, sendo programados e simulados usando o programa comercial EES. O mapa base de pressão por abertura de borboleta por rotação resultante mostra o detalhe de descontinuidade pelo uso das equações de vazão mássica juntamente com a imposta pelas equações de coeficiente de descarga, implicando na mudança brusca de valores de pressão calculados para a região de abertura menor que 20%. O mapa de vazão mássica de combustível por rotação e por abertura de borboleta para uma razão estequiométrica de 14,67 também é gerado. Nele é possível observar a demanda por vazão mássica de combustível para cada rotação e abertura da válvula borboleta mostrando o caminho a ser seguido pelo motor para que seja atingida a vazão mássica necessária para obter-se a relação ar/combustível desejada. A metodologia proposta gera mapas base de combustível para módulos de injeção eletrônica. Os resultados são apresentados na forma de gráficos. O modelo produz resultados satisfatórios, reproduzindo o comportamento da válvula borboleta, comparado com a literatura. / A new methodology for EMS base maps to the internal combustion spark ignition engines is presented. Its behavior is compared with results from the MVEM methodology. From the technical literature an ideal Otto cycle for a generic reciprocating single cylinder engine with 500 cm³ of displaced volume. Also, throttle valve with a diameter of 0.06 m of diameter operating in subsonic and sonic flow regime is modeled. The downstream pressure is calculated for throttle openings of 5° to 88.64°. The models are coupled using the engine air mass flow rate as the main parameter, being programmed and simulated using a commercial EES software. The base map of pressure versus throttle opening and engine speed shows the discontinuity detail imposed from the mass flow and discharge coefficient equations, resulting into a abrupt change of pressure values calculated for an opening region less than 20%. The fuel mass flow versus revolutions per minute versus throttle valve opening for stoichiometric air fuel ratio of 14.67 is also generated. In such map it is possible to show the fuel mass flow demand for each rotation and throttle opening showing the path to be followed by the engine to reach the mass air flow needed to reach the target air fuel ratio. This methodology generates base fuel maps for electronic fuel injection modules. The results are presented in graph forms. The model presents satisfactory results that reproduce the throttle valve behavior, compared to the literature.

Com o crescente aumento dos problemas ambientais relacionados à emissão de poluentes, normas cada vez mais rigorosas estão sendo implementadas para diminuir a emissão de gases nocivos provenientes da queima de hidrocarbonetos em motores de combustão interna. Um importante fator que influencia na geração de gases poluentes em motores é o comportamento do escoamento no cilindro, desde o início da admissão até a fase de combustão. O presente trabalho realiza um estudo numérico com validação experimental do escoamento no motor Honda GX35, considerando diversas aberturas de válvula fixas e diferenças de pressão para gerar o escoamento. A validação da metodologia numérica é realizada através da comparação dos resultados do coeficiente de descarga para todas as aberturas de válvula utilizadas. A medição da vazão de ar na metodologia experimental é realizada com um anemômetro de filme quente de aplicação automotiva, calibrado para as condições do teste. Já a metodologia numérica utiliza dois modelos de turbulência, k-ω SST e k-ε standard. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os experimentais para ambos os modelos adotados, quanto ao coeficiente de descarga. Entretanto, a diferença de comportamento do escoamento no interior do cilindro é elevada, pois o modelo k-ω SST é capaz de captar a oscilação transiente do jato que se forma na saída da válvula, inexistente no k-ε standard. O comportamento transiente causa uma significativa variação da vorticidade média em um plano perpendicular ao cilindro, com o escoamento trocando de direção principal de rotação em alguns instantes. Dados numéricos médios e de variação ao longo do tempo para swirl e tumble também são apresentados e discutidos. Ao analisar a oscilação da vazão mássica na fronteira de saída do domínio, frequências de aproximadamente 1300 Hz são captadas. Tais frequências são confrontadas com resultados experimentais obtidos pelo presente grupo de pesquisa para medições de oscilação de pressão no coletor de admissão do mesmo motor. O desvio percentual relativo para a frequência de oscilação é de 0,3%, o que demonstra a correta predição, tanto do fenômeno de desprendimento de vórtice quanto do coeficiente de descarga obtido através do modelo de turbulência k-ω SST. / With the increasing environmental problems concerning pollutant emissions, stringent standards have been applied in order to decrease harmful gases produced by the hydrocarbons combustion in internal combustion engines. The flow behaviour within the cylinder is an important factor that affects the emission’s formation in engines, since the intake stroke until the combustion. This work performs a numerical study with experimental validation of fluid flow at Honda GX35 engine, considering different fixed valve lifts and suction pressures to generate the flow. The validation of the numerical methodology is made through the discharge coefficient and flow pattern comparisons for all valve lifts utilized. The mass flow rate in the intake system is measured with an automotive hot film anemometer, calibrated for the test’s conditions. Regarding the computational solution for the turbulent air flow, two turbulence models were utilized: SST k-ω and k-ε standard. Although the numerical results presented a good agreement with the experimental data concerning the discharge coeficient, the flow pattern comparisons presented a high discrepancy among the models utilized. The SST k-ω model is capable to capture the transient behaviour of the jet formed in the valve exit, constituting the main difference between them. The transient oscillation causes a significant difference of mean vorticity in a cylinder section plane, with the bulk flow changing its main rotation along the time. The averaged and transient numerical data of swirl and tumble are presented and discussed. In the frequency analysis of the numerical mass flow rate oscillations, obtained at the outlet boundary, presented an average value about 1300 Hz. Such frequencies, when compared with experimental results obtained by the present research group for the pulsating pressure waves into the intake duct of the same engine, had a relative percentage deviation of 0.3%. The agreement between the results using the SST k-ω model reveals the correct prediction of vortex shedding frequency and discharge coefficient.

O objetivo do trabalho é o desenvolvimento e a validação de metodologias para simular o comportamento dinâmico do escoamento e da transferência de calor em motores de combustão interna. O trabalho está dividido em duas partes. Na primeira parte, para caracterizar o sistema de admissão de motores de combustão interna, foi fixada a pressão na descarga em diferentes aberturas de válvulas em regime permanente. As análises foram realizadas a partir do coeficiente de descarga. Os dados numéricos foram obtidos utilizando o código comercial de volumes finitos Fluent e comparado com resultados experimentais. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ε e k-ε RNG, com aproximação de alto Reynolds e tratamento padrão nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado partindo-se de uma malha tetra-prisma com subcamadas de 0,02 mm para assegurar o tratamento adequado na parede. Por fim, foi realizada uma análise em regime transiente, comparando-se os resultados do coeficiente de descarga com a utilização de tratamento híbrido e padrão nas zonas próximas às paredes. Como resultado, obteve-se boa concordância entre essas formas. Na segunda parte, é feita uma análise do escoamento transiente na admissão e no interior do cilindro em um motor padrão CFR. O motor foi tracionado com um motor elétrico a 200 rpm sem combustão. Neste, foram empregadas soluções numéricas com a utilização do código comercial em volumes finitos StarCD es-ice, com malha móvel hexaédrica. Os resultados experimentais do coeficiente de descarga, pressão e temperatura foram comparados durante o ciclo. O escoamento turbulento foi resolvido com o modelo de viscosidade turbulenta k-ω SST, com aproximação de baixo Reynols e tratamento híbrido nas regiões próximas às paredes. O estudo da independência de malha foi realizado a partir do coeficiente de descarga na máxima velocidade do êmbolo a 75 graus após o ponto morto superior do ciclo de admissão. Os resultados revelaram a formação de swirl, tumble e cross-tumble e a evolução destes durante o ciclo, como uma informação importante para o desenho da geometria dos coletores de admissão e de escape nos motores de combustão interna. Foi detectada a presença de recirculações nos coletores e no cilindro. Estas foram discutidas ao longo dos resultados. / The objective of the present work is to develop and validate methodologies to simulate the flow dynamics and heat transfer in internal combustion engines. The work is composed by two parts. In the first one, the intake systems of internal combustion engines are simulated considering the steady flow, with fixed pressure drops across the system, at different valve lifts. A discharge coefficient is calculated, based on numerical solutions using the Fluent 6.3 commercial Finite Volumes CFD code and compared with experimental results. Regarding the turbulence, computations are performed with Eddy Viscosity Models k-ε, in its High- Reynolds approach and k-ε RNG variant was also tested. A detailed mesh independence study was performed, arriving in a submillimeter mesh of 523000 tetra-prism cells, including an extrusion layer of 0.02 mm, to assure an adequate wall treatment. This analysis was made considering a transient flow, comparing the results of the discharge coefficient using hybrid treatment and standard in the near wall region, with good agreement. The second part of the present work focuses on a transient flow that occurs in the intake system and inside cylinder of a standard CFR (Cooperative Fuel Research) engine. As a first step the engine has no combustion, but is driven by an electrical motor that provides the desired angular velocity, in this case 200 rpm. Numerical solutions using the StarCD es-ice commercial Finite Volumes CFD code are performed, applying moving hexahedral trimmed meshes, and compared with experimental results of discharge coefficient, pressure and temperature in the cylinder. Regarding the turbulence, computations were performed with Eddy Viscosity Models k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls. A mesh independence study was performed through discharge coefficient, in the maximum piston velocity, at 75 degrees after top dead center. The results revealed the presence of the swirl, tumble and cross-tumble flow patterns, important informations for the design of internal combustion engines. The presence of recirculation at the port and inside the cylinder is detected and discussed in detail.

Com o crescente aumento dos problemas ambientais relacionados à emissão de poluentes, normas cada vez mais rigorosas estão sendo implementadas para diminuir a emissão de gases nocivos provenientes da queima de hidrocarbonetos em motores de combustão interna. Um importante fator que influencia na geração de gases poluentes em motores é o comportamento do escoamento no cilindro, desde o início da admissão até a fase de combustão. O presente trabalho realiza um estudo numérico com validação experimental do escoamento no motor Honda GX35, considerando diversas aberturas de válvula fixas e diferenças de pressão para gerar o escoamento. A validação da metodologia numérica é realizada através da comparação dos resultados do coeficiente de descarga para todas as aberturas de válvula utilizadas. A medição da vazão de ar na metodologia experimental é realizada com um anemômetro de filme quente de aplicação automotiva, calibrado para as condições do teste. Já a metodologia numérica utiliza dois modelos de turbulência, k-ω SST e k-ε standard. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os experimentais para ambos os modelos adotados, quanto ao coeficiente de descarga. Entretanto, a diferença de comportamento do escoamento no interior do cilindro é elevada, pois o modelo k-ω SST é capaz de captar a oscilação transiente do jato que se forma na saída da válvula, inexistente no k-ε standard. O comportamento transiente causa uma significativa variação da vorticidade média em um plano perpendicular ao cilindro, com o escoamento trocando de direção principal de rotação em alguns instantes. Dados numéricos médios e de variação ao longo do tempo para swirl e tumble também são apresentados e discutidos. Ao analisar a oscilação da vazão mássica na fronteira de saída do domínio, frequências de aproximadamente 1300 Hz são captadas. Tais frequências são confrontadas com resultados experimentais obtidos pelo presente grupo de pesquisa para medições de oscilação de pressão no coletor de admissão do mesmo motor. O desvio percentual relativo para a frequência de oscilação é de 0,3%, o que demonstra a correta predição, tanto do fenômeno de desprendimento de vórtice quanto do coeficiente de descarga obtido através do modelo de turbulência k-ω SST. / With the increasing environmental problems concerning pollutant emissions, stringent standards have been applied in order to decrease harmful gases produced by the hydrocarbons combustion in internal combustion engines. The flow behaviour within the cylinder is an important factor that affects the emission’s formation in engines, since the intake stroke until the combustion. This work performs a numerical study with experimental validation of fluid flow at Honda GX35 engine, considering different fixed valve lifts and suction pressures to generate the flow. The validation of the numerical methodology is made through the discharge coefficient and flow pattern comparisons for all valve lifts utilized. The mass flow rate in the intake system is measured with an automotive hot film anemometer, calibrated for the test’s conditions. Regarding the computational solution for the turbulent air flow, two turbulence models were utilized: SST k-ω and k-ε standard. Although the numerical results presented a good agreement with the experimental data concerning the discharge coeficient, the flow pattern comparisons presented a high discrepancy among the models utilized. The SST k-ω model is capable to capture the transient behaviour of the jet formed in the valve exit, constituting the main difference between them. The transient oscillation causes a significant difference of mean vorticity in a cylinder section plane, with the bulk flow changing its main rotation along the time. The averaged and transient numerical data of swirl and tumble are presented and discussed. In the frequency analysis of the numerical mass flow rate oscillations, obtained at the outlet boundary, presented an average value about 1300 Hz. Such frequencies, when compared with experimental results obtained by the present research group for the pulsating pressure waves into the intake duct of the same engine, had a relative percentage deviation of 0.3%. The agreement between the results using the SST k-ω model reveals the correct prediction of vortex shedding frequency and discharge coefficient.

Desde o seu surgimento o motor de combustão interna é a alternativa de fornecimento de potência mais utilizada no mundo em veículos de passeio e transporte de cargas. De fato, observa-se no dia-a-dia uma forte dependência da utilização de motores e, atualmente, os estudos visando o seu aumento de eficiência e a diminuição de emissões poluentes estão cada vez mais intensos. Com os grandes avanços ocorridos na disponibilização de computadores, existe uma tendência contínua para a utilização de técnicas computacionais auxiliando no projeto de motores. No entanto, o maior desafio é simular o escoamento altamente tridimensional, turbulento e transiente, com o uso de modelos de turbulência e combustão, que tenham bom compromisso com a física envolvida. Neste âmbito, o presente trabalho tem o objetivo de desenvolver uma validação de metodologias numérica e experimental, para avaliar o comportamento dinâmico e reativo do escoamento em motores de combustão interna. A simulação é aplicada a um motor Honda GX35, que possui vasto uso comercial em roçadeiras, motocicletas de baixo custo e, atualmente, em Veículos Autônomos Não Tripulados (VANT), dentre outros. A análise tem como base soluções numéricas pelo método dos volumes finitos, usando o programa comercial Star-cd/es-ice. Para resolver o escoamento turbulento o modelo adotado foi o k-ω SST, com aproximação para baixo Reynolds e tratamento de parede híbrido. O modelo de combustão ECFM-3Z foi empregado para resolver o escoamento reativo. O combustível utilizado foi metano em mistura estequiométrica. Os resultados numéricos são confrontados com resultados experimentais, com o objetivo de examinar o estado da arte dessas metodologias. Valores transientes de pressão no interior do cilindro, vazão mássica de ar, fração mássica queimada, em relação ao eixo de manivelas e os produtos da combustão são confrontados A presença de recirculações na admissão e no cilindro foram detectadas e discutidas. As evoluções da pressão interna no cilindro e da vazão mássica de ar resultantes da simulação numérica apresentaram um bom comportamento, quando confrontado com dados experimentais. Os resultados da fração mássica de combustível queimado revelam características importantes de funcionamento do motor. / Since its inception, the internal combustion engine is the alternative of delivering power most used worldwide in passenger vehicles and transportation. Indeed, it is observed in day-to-day a strong dependency on the use of engines, and currently studies aiming at its increased efficiency and reduced emissions are becoming more intense. With the great advances in the availability of computers, there is a continuing trend towards the use of computational techniques aiding in the engine designs. However, the main challenge is to simulate the highly three-dimensional, transient and turbulent flows with the turbulence and combustion models, which have good compromise with the involved physics. In this context, this work aims to develop a validation of numerical and experimental methods for evaluating the dynamic and reactive behavior of the flow in internal combustion engines. The simulation is applied to a Honda GX35 engine, which has commercial application in brushcutters, motorcycles of low cost, Unmanned Autonomous Vehicles (UAV), among others. The analysis is based on numerical solutions by the finite volume method, using the commercial software Star-CD / esice. To solve the turbulent flow the model adopted was the k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls The ECFM-3Z combustion model was employed to solve the reactive flow. The fuel used was methane in the stoichiometric mixture. The numerical results are compared with experimental ones, in order to examine the state of art of these methodologies. Transient values of cylinder inside pressure, mass air flow, mass fraction of the fuel burned, in relation to the crankshaft angle and the combustion products are confronted The presence of recirculation in the intake duct and cylinder were detected and discussed. The evolutions of the internal cylinder pressure and mass flow rate of air showed a good behavior, when confronted with experimental data. The results of the burned mass fraction reveal important characteristics of engine operation.

Uma nova metodologia para a criação de mapas base de injeção eletrônica de combustível para motores de combustão interna de ignição a centelha é apresentada e seu comportamento é comparado com os resultados fornecidos pela metodologia MVEM. A partir da utilização de equacionamentos da literatura, é feita uma modelagem do ciclo ideal Otto para um motor genérico alternativo monocilíndrico de 500 cm³ de volume deslocado. É modelada também uma válvula do tipo borboleta genérica de 0,06 m³ de diâmetro que opera tanto em regime subsônico quanto sônico. A pressão à jusante da borboleta é calculada para aberturas de 5° a 88,64°. Os modelos são acoplados a partir da vazão mássica de ar admitida, que é o parâmetro principal, sendo programados e simulados usando o programa comercial EES. O mapa base de pressão por abertura de borboleta por rotação resultante mostra o detalhe de descontinuidade pelo uso das equações de vazão mássica juntamente com a imposta pelas equações de coeficiente de descarga, implicando na mudança brusca de valores de pressão calculados para a região de abertura menor que 20%. O mapa de vazão mássica de combustível por rotação e por abertura de borboleta para uma razão estequiométrica de 14,67 também é gerado. Nele é possível observar a demanda por vazão mássica de combustível para cada rotação e abertura da válvula borboleta mostrando o caminho a ser seguido pelo motor para que seja atingida a vazão mássica necessária para obter-se a relação ar/combustível desejada. A metodologia proposta gera mapas base de combustível para módulos de injeção eletrônica. Os resultados são apresentados na forma de gráficos. O modelo produz resultados satisfatórios, reproduzindo o comportamento da válvula borboleta, comparado com a literatura. / A new methodology for EMS base maps to the internal combustion spark ignition engines is presented. Its behavior is compared with results from the MVEM methodology. From the technical literature an ideal Otto cycle for a generic reciprocating single cylinder engine with 500 cm³ of displaced volume. Also, throttle valve with a diameter of 0.06 m of diameter operating in subsonic and sonic flow regime is modeled. The downstream pressure is calculated for throttle openings of 5° to 88.64°. The models are coupled using the engine air mass flow rate as the main parameter, being programmed and simulated using a commercial EES software. The base map of pressure versus throttle opening and engine speed shows the discontinuity detail imposed from the mass flow and discharge coefficient equations, resulting into a abrupt change of pressure values calculated for an opening region less than 20%. The fuel mass flow versus revolutions per minute versus throttle valve opening for stoichiometric air fuel ratio of 14.67 is also generated. In such map it is possible to show the fuel mass flow demand for each rotation and throttle opening showing the path to be followed by the engine to reach the mass air flow needed to reach the target air fuel ratio. This methodology generates base fuel maps for electronic fuel injection modules. The results are presented in graph forms. The model presents satisfactory results that reproduce the throttle valve behavior, compared to the literature.

Este trabalho foca no desenvolvimento de uma unidade de gerenciamento eletrônico que tem como objetivo controlar um motor de combustão interna do ciclo Otto. Essa unidade é composta por três blocos independentes, onde cada um deles é composto por um hardware e um software específico. O primeiro bloco é chamado de gerenciamento e ele é responsável por ler todos os sinais de sensores, processá-los e criar com isso alguns parâmetros de controle que são transmitidos para o bloco de sincronismo por meio de uma comunicação SPI (Synchronous Peripheral Interface). O bloco de sincronismo por sua vez recebe esses parâmetros com a intenção de controlar as válvulas injetoras e as bobinas de ignição no momento exato para manter o motor em um funcionamento perfeito. O terceiro bloco é chamado comunicação/diagnose, sendo responsável por ser a interface entre o motor e os usuários e desenvolvedores. Portanto, ele monitora algumas informações do motor e as mostram em um display, bem como possíveis falhas que possam ocorrer na utilização dele. Sendo assim, o objetivo principal desse trabalho é mostrar como essa unidade de gerenciamento eletrônico foi desenvolvida, algumas estratégias usadas para controlar o motor e alguns resultados práticos aplicando essa unidade de gerenciamento eletrônico em um motor real montado em uma plataforma de metal chamado mock-up. / This paper focuses on the development of an electronic management unit which has the objective to control an Otto cycle internal combustion engine. This unit is composed by three separated blocks where each one of these blocks is composed by one specific hardware and software. The first block is named management and it is responsible to read all the engine sensors signals, to process these signals and to create with it some parameters of control that is transferred to the synchronism block through a SPI (Synchronous Peripheral Interface) communication. The synchronism block receives these parameters in order to control the nozzles and the ignition coils in the exact moment to keep the engine running perfectly. The third block is named communication/diagnoses and it is responsible to be the interface between the engine and the drivers and developers. So it monitores some engine information and it shows this information in a display, as well some possible faults that can occur with the use of it. Therefore, the main purpose of this work is to show how this electronic control unit was developed, some strategies used to control the engine and some practical results, by applying this electronic control unit in a real engine assembled in an iron base platform, named mock-up.

O trabalho consiste em análises experimental, teórica e computacional do escoamento dos gases de exaustão através de um conversor catalítico platina-paládio, instalado num motor de combustão interna movido a etanol. Foram realizados ensaios dinanométricos no motor para análise das medidas experimentais no sistema de exaustão e para aquisição de valores das propriedades termodinâmicas, de transporte e de concentrações químicas, os quais serviram de dados iniciais para a simulação computacional desenvolvida com a utilização dos softwares CFX e MFIX. Os programas resolvem um conjunto de equações conservativas que permitem a análise da variação da pressão, temperatura, velocidade e composição química dos gases de escape ao longo do suporte monolítico. Além de avaliar a formação e os níveis das emissões provenientes da combustão da mistura ar-combustível. A eficiência catalítica no primeiro suporte do conversor foi de 11% THC, 100% NOx e 20% CO. Foi verificada uma diferença de 1,23% entre a velocidade média experimental e a simulada. Modelos matemáticos foram aplicados no estudo da perda de carga no conversor catalítico e na relação difusão-reação do consumo e formação das espécies químicas. / The thesis describes computational, experimental, and theoretical analysis of the exhaust gases flow through a Pt/Pd catalytic converter installed on internal combustion engine burning ethanol. The obtained values related to energy properties and mass transport in experimental tests is the base of initial values for development of the computational simulation by using CFX and MFIX software. The programs solves a group of conservative equations that allow to analysis of variation such as pressure, temperature, and also, velocity of exhausting gases along the monolithic support, moreover to evaluate the formation of gases and its emission levels on the incoming air-fuel mixture combustion and its respective chemical reactions of oxidation. The catalytic efficiency through the first monolith of the converter were about of 11% THC, 100% NOx e 20% CO. It was verified also a small difference of 1,2 % between the experimental and the simulated average velocity. In addition mathematical models were applied on the study of the load loss in catalytic converter, diffusion-reaction of the consumption and also formation of chemical species.