É apresentada uma metodologia para descrever o mapa de desempenho (ou mapa de consumo de combustível) de um motor de combustão interna como função de suas condições de operação (rotação e torque) baseados em medições embarcadas. É utilizada para este levantamento a combinação de medições via GPS (para a velocidade longitudinal e inclinação de pista) e OBD-II para aquisição de sinais da rede CAN, como rotação do motor e consumo de combustível. É desenvolvida uma metodologia para o cálculo do torque líquido do motor baseado na medição de velocidade e aceleração longitudinal do veículo com uma margem de incerteza de 2% a 5% no cálculo do torque em condições normais de operações. É realizado um detalhamento da origem das incertezas para avaliar a contribuição individual de cada parâmetro. Um modelo de regressão polinomial é utilizado para descrever o mapa de consume de combustível do motor cujos coeficientes característicos são determinados experimentalmente através da metodologia proposta para cinco veículos diferentes a fim de comprovar a eficácia da metodologia. Os coeficientes de correlação variam de 0.797 a 0.997, sendo que em três de cinco veículos o coeficiente de correlação é maior que 0.910, comprovando a robustez da metodologia. / It is presented a methodology to describe the engine performance map (or the engine fuel map) for an internal combustion engine as a function of its operating conditions (engine speed and torque) based on on-board measurements. It is used a combination of GPS measurements for vehicle speed and road grade together with a OBD-II acquisition system in order to acquire information provided by CAN network, such as engine speed and fuel consumption. A methodology to calculate the engine torque based on speed and acceleration measurements is shown with an average uncertainty in the range of 2% to 5% for torque calculation in normal operating conditions. It is presented a detailed breakdown of the contribution of individual parameters in torque calculation uncertainty. A polynomial regression model to describe the engine fuel map is presented and the coefficients for this model is calculated based on on-road measurements for 5 different vehicles to prove the accuracy of the proposed methodology. The correlation coefficients obtained for these measurements are within the range of 0.797 to 0.997 and three out of five vehicles with correlation coefficient higher than 0.910, proving the methodology robust.

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.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:36:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Marcio Yamawaki.pdf: 22123868 bytes, checksum: 06693820e229aaa1d1f946ee47f58c63 (MD5) Previous issue date: 2013-10-17 / Pistons are one of the most challenged components on an internal combustion engine. The range of thermal and mechanical loads on these components reach limit levels where the applied materials cannot react and are not able to go back to its original condition. We can say that pistons are the fuses of an internal combustion engine. The adequate selection of materials for the pistons must take in account the usage of the engines. For passenger cars for instance, typically light alloys are chosen in order to attend the low fuel consumption and emission level demands. For commercial vehicles there are more freedom choosing the materials because weight does not play the same level of role but on the other hand requires materials that can resist the very high loads involved. The objective of this work is to describe the criteria s involved on a piston design and how closed they are connected with the adequate material selection. A case study of a aluminum piston for Diesel engine application that presented a pin bore crack related to feathery grain formation will be shown. / Os pistões são um dos componentes mais solicitados em um motor de combustão interna. O conjunto de cargas térmicas e mecânicas nestes componentes chega a atingir limites onde os materiais empregados não conseguem mais reagir de maneira a retornar a sua condição original. Pode-se dizer que os pistões são os fusíveis de um motor à combustão interna. A escolha dos materiais mais adequados para a confecção dos pistões passa por um critério de seleção que deve levar em conta o tipo de aplicação dos motores. A aplicação de motores em carros de passeio por exemplo, tipicamente exige a utilização de ligas mais leves em seus componentes visando atender aos requisitos de redução do consumo de combustíveis e também de emissão de poluentes. Já para a aplicação em veículos utilitários pesados existe uma maior liberdade para a escolha dos materiais dos componentes pois o peso já não tem a mesma influência sobre a performance mas por outro lado exige a utilização de materiais mais resistentes devido às altas cargas envolvidas. O objetivo do trabalho é discorrer também sobre os critérios envolvidos no projeto dos pistões e como eles estão correlacionados com a escolha dos materiais mais adequados. Será mostrado também um estudo de caso de um pistão de alumínio aplicado em um motor Diesel e que apresentou uma trinca no cubo relacionada à formação de dendritas gêmeas.

Nas últimas décadas, a indústria automobilística mundial vem investindo no desenvolvimento tecnológico dos motores, com o objetivo de alcançar melhor eficiência energética e atender às legislações que limitam a quantidade de resíduos tóxicos nos gases de exaustão e menor consumo de combustível. Isso resultou na implantação dos sistemas de gerenciamento eletrônico do motor, que possibilitam funcionalidades para se controlar diversas variáveis do motor, aumentando consideravelmente o rendimento do motor. Este trabalho tem como objetivos explorar a dinâmica de um motor de combustão interna ciclo Otto, os sinais elétricos associados, e os componentes de seu gerenciamento eletrônico. A partir dessas informações, o trabalho apresenta o processo de analise dos sinais elétricos e as estratégias de controle utilizadas em um sistema de gerenciamento real. Assim, são desenvolvidos o hardware e o firmware de uma unidade microcontroladora para gerenciamento eletrônico do motor. O hardware foi elaborado com uma concepção centralizada, ou seja, foi usado apenas um microcontrolador de 32-bit para gerenciar todas as funções. O firmware de controle foi desenvolvido de forma modular baseado em modelos de malha fechada. O modelo matemático do motor foi identificado utilizando técnicas de controle em um veículo real, e a avalidação do modelo foi obtida através de testes em um dinamômetro inercial. / In the last few decades, the world automotive industry has invested in the technological development of the engines, aiming to get better energetic efficiency and comply with legislations that limit the amount of toxic exhaustion gases. This resulted in electronic management systems for engines, which allowed flexibility to control several engine-related variables, considerably increasing the engine efficiency. This work aims to explore the Otto cycle combustion engine dynamics, its electronic signals, and the elements of its electronic management. Based on that information, this work presents the analysis process of the electronic signals, and the control strategies used in a real management system. Then, the hardware and firmware of a microcontroller unity are developed for the electronic management of the engine. The hardware was elaborated with a centralized concept, i.e., only one 32-bit microcontroller was used to control all functions. The control firmware was developed in a modular scheme, based on the closed loop models. The engine mathematical model was identified using control techniques in a real engine. The results were obtained by tests in an inertial dynamometer.

Orientador: Marco Lúcio Bittencourt / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T09:08:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LimaeSilva_RafaelAugustode_M.pdf: 10555723 bytes, checksum: 1d037ebafbabc24e214c06ad76c5f54a (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: O trabalho descreve o projeto mecânico convencional de uma biela automotiva de motor de combustão interna e apresenta uma metodologia alternativa baseada em métodos de otimização estrutural com o objetivo de reduzir a massa do componente. Para tal, é feita a descrição de todos os parâmetros de projeto assim como a definição de critérios de projeto. Em virtude da criticidade da aplicação selecionada, motor de ciclo Diesel utilizado em caminhões de trabalho pesado com picos de pressão de combustão de até 240 bar, a biela foi projetada sem bucha utilizando-se extensivamente os métodos numéricos. O Método dos Elementos Finitos foi aplicado para cálculo de tensões, deslocamentos, pressões de contato, flambagem, fadiga e para a síntese modal de componentes utilizados na análise dinâmica de multicorpos com mancais elasto-hidrodinâmicos. Dois modelos de fadiga dos materiais foram estudados: o modelo americano baseado no diagrama de Goodman e tensões principais e o modelo alemão baseado no diagrama de Haigh e efeito do gradiente de tensões multiaxiais; dos quais concluiu-se que o modelo americano é suficiente para o projeto da biela ao passo que o modelo alemão traz oportunidades adicionais de redução de massa. A otimização topológica, otimização de forma e análise de sensibilidade permitiram a obtenção de uma biela 210g (3\%) mais leve e com melhor desempenho dos mancais hidrodinâmicos. Finalmente, concluiu-se que o Método da Otimização Topológica apresenta oportunidades interessantes aos projetistas na fase de conceituação de produtos como alternativa aos desenhos convencionais, no entanto, demanda esforço adicional para o atendimento de todos os critérios de projeto do componente / Abstract: The present work consists of the conventional mechanical design description of an internal combustion engine connecting rod and also the proposal of an alternative methodology based on optimization methods with the objective of reducing the component mass. Therefore, it is performed a detailed view of all design parameters as well as the definition of design criteria. Because of the critical application selected, Diesel engine of heavy duty truck with combustion pressure reaching up to 240bar, the connecting rod was designed without bushing and with extensive use of numerical methods. The Finite Element Method was applied to assess stresses, displacements, contact pressures, buckling, fatigue and to perform the Component Modal Synthesis for multi-body dynamics simulation with elasto-hydrodynamic bearings. Two fatigue models were studied: the American model based on Goodman's diagram and principal stresses and the German model based on Haigh's diagram and multiaxial stress gradient effect; from which it was concluded that the American model is enough to design the connecting rod, while the German model presents additional weight reduction opportunities. The topology optimization, shape optimization and sensitivity analysis enabled a 210g (3\%) lighter connecting rod with improved bearings performance. Finally, it was concluded that the Topology Optimization Method presents good opportunities for the design engineers in the conceptual phases of product development with alternatives to the conventional designs. However, additional effort is necessary to fit the concept into all design criteria / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

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.

No presente trabalho, emprega-se a medida da concentração de etanol do combustível para efetuar correções estequiométricas de maneira direta e instantânea, a fim de eliminar o período necessário para adaptação a partir da medida do sensor de oxigênio (sonda lambda) em eventos de reabastecimento no veículo. Com o objetivo de assegurar a operação flex-fuel, foram empregados métodos para a regulação ar/combustível em malha fechada, realimentados por sensores de oxigênio (banda larga amplificada e banda estreita). O projeto foi implementado em uma ECU (Eletronic Control Unit) idealizada para desenvolvimento de rotinas de programa voltadas ao gerenciamento eletrônico para motores de combustão interna ciclo Otto, denominada Flex-ECU. A ETAS/Bosch Flex-ECU possui programação aplicada à ferramenta ASCET (Advanced Simulation and Control Engineering Tool), o qual trata-se de um código open source para sistemas embarcados de tempo real. Por fim, são exibidos resultados de controle, desempenho e eficiência do motor para diferentes composições de combustível comercializados para a frota de veículos leves em território nacional. Os experimentos revelam a dinâmica de funcionamento do controle A/C bicombustível e discute as suas principais características, com o objetivo de exemplificar métodos de otimização de sua eficiência. / In the present work, the ethanol fuel concentration is used to establish stoichiometric corrections in a direct and instantaneous manner, to eliminate the period necessary for adaptation, from the measurement of the oxygen sensor (lambda probe) in events of refueling. To ensure Flex-fuel operation, closed-loop air/fuel regulation methods were used, fed by oxygen sensors (amplified wide band and narrow band). The project was implemented in an ECU (Electronic Control Unit) designed for the development of code routines for electronic management of an Otto cycle internal combustion engine, labeled Flex-ECU. The ETAS / Bosch Flex-ECU has programming applied to the ASCET (Advanced Simulation and Control Engineering Tool) tool, which is an open source code for real time embedded systems. Finally, results of engine control, performance, and efficiency are presented for different fuel compositions available in Brazil for the fleet of light vehicles. The experiments show the dynamics of the operation of the bi-fuel A/C control and discusses its main characteristics, aiming to exemplify optimization methods of its efficiency.

A crescente demanda de diminuição das emissões e redução do consumo dos motores de combustão interna exige a melhoria dos métodos para diagnose, em tempo real, e para melhor controle do processo de combustão. Portanto, é desejável determinar a relação ar-combustível sobre uma extensa faixa de condições de operação para obter um melhor controle do motor. Este trabalho apresenta a aplicação do Método dos Momentos para obtenção de um modelo de estimação da relação ar-combustível, através do sinal de pressão no cilindro, em um motor ciclo Otto a etanol. O modelo obtido permitirá o desenvolvimento de novos sistemas de controle utilizando como estratégia a pressão no cilindro. / The increasing demands for low emission and low fuel consumption in internal combustion engines require improved methods for diagnosis, in real-time and best possible control of the combustion process. Therefore, determining air-fuel ratio over a wide range of engine operating conditions is desirable for better engine control. This work presents the Moment Method application for obtaining air-fuel ratio estimation model, by cylinder pressure sign, in Otto cycle engine powered by ethanol. The obtained model will allow the development of new control systems, for engine powered alcohol, using as strategy the cylinder pressure.

Desenvolveu-se um sistema de alimentação misto para motores de ignição por compressão turboalimentados, o qual utiliza diesel injetado normalmente na câmara de combustão e etanol pós-vaporizado, injetado líquido no coletor de admissão e vaporizado pela grande disponibilidade de energia contida no ar comprimido. Foram possíveis substituições de até 55% da massa de diesel por etanol; funcionamento regular e repetitivo foi verificado, resultado da admissão de álcool na forma de vapor. Constatou-se que o rendimento térmico e as emissões de gases poluentes eram bastante influenciados pelo sistema de alimentação desenvolvido: ganhos de até 25,6% no rendimento térmico foram possíveis com reduções máximas de 81% na emissão de material particulado e 80% em NOx, pela queima mais eficiente do diesel na presença do vapor de etanol. Reduções notáveis na temperatura do ar comprimido foram atingidas, possibilitando a substituição dos \"intercoolers\". A análise teórica da implantação do sistema desenvolvido, numa frota de veículos de transporte coletivo da região metropolitana de São Paulo, indicou viabilidade econômica e ambiental. / It was developed a supplementary fueling system for turbocharged compression ignition, which uses diesel injected usually in the combustion chamber and post-vaporized ethanol, that is injected in the liquid state inside the intake manifold and vaporized by the energy in the compressed air. It was possible to replace up to 55% of the diesel mass by ethanol; regular and repetitive operation was verified, result of the alcohol induction in the vapor state. It was verified that engine\'s efficiency and pollutant gases emissions were quite influenced by the fueling system developed: improvements of up to 25,6% in the efficiency were possible, with maximum reductions of 81% in particulate matter and 80% in NOx, as a result of a more efficient diesel oxidation in presence of ethanol vapor. Notable reductions in the compressed air temperature were reached, making possible the substitution of the \"intercoolers\". The theoretical analysis to implantation of the developed system, on vehicles of public transportation in the metropolitan area of São Paulo, indicated economical and environmental viability.

Com o passar do tempo, nota-se um aumento gradativo da demanda por veículos mais econômicos e que disponham de itens capazes de aumentar o conforto e a segurança. Citase, como exemplo, o controle de cruzeiro (Cruise Control) que, atualmente presente em diversos veículos, é responsável por controlar a velocidade do veículo de maneira autônoma, sem a necessidade de intervenção do condutor no pedal de aceleração, resultando em um aumento de conforto ao reduzir o esforço para dirigir, além de prover efetividade para manter a velocidade do veículo em torno de um valor desejado. Neste contexto, o presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um controlador de cruzeiro para operar em um veículo modelo Volkswagen Polo Sedan 2.0L 2004, o qual não possui este recurso em seu estado de fábrica. Para a implementação deste recurso, o trabalho faz uso de uma unidade de gerenciamento eletrônico (conhecida também por Electronic Control Unit - ECU) desenvolvida em 2013, no âmbito do projeto Otto II (PEREIRA, 2013), para controle do motor presente no respectivo veículo, viabilizando, desta forma, a validação do controle de cruzeiro por meio de testes utilizando o veículo em um dinamômetro inercial. Entretanto, previamente ao projeto do controlador de cruzeiro, o presente trabalho teve como foco o aperfeiçoamento do funcionamento desta ECU, visando a sua evolução no que diz respeito ao estado da arte de unidades de gerenciamento eletrônico de motores. Para isto, em sua primeira fase, o trabalho realizou diversas melhorias nas malhas de controle já existentes no firmware de 2013, tais como controle de marcha lenta, controle da borboleta eletrônica e controle de partida. Ao mesmo tempo, novos recursos foram implementados em firmware: controle de torque, controle da mistura ar/combustível em malha fechada (sonda lambda), segurança na comunicação entre blocos da ECU, identificação de marcha, suporte para diagnóstico via OBD-II, dentre outros. Além destas atividades envolvendo desenvolvimento de firmware, o trabalho, ainda em sua primeira fase, promoveu o desenvolvimento de uma nova ferramenta de software que, além de ser capaz de monitorar diversos parâmetros da ECU em tempo real, integra diversas funções, tais como função de computador de bordo alternativo, opção para controle do motor através da simulação do pedal de aceleração, opção para alteração da rotação de marcha lenta e função para automatização do ensaio de identificação do veículo (tarefa necessária para o projeto do controlador de cruzeiro). / Over time, there is a gradual increase of the demand for economical vehicles equipped with items capable of increasing the comfort and safety. As an example, the Cruise Control, which is already available in several vehicles, is responsible to control the vehicle speed in an autonomous manner, without the driver intervention on the throttle pedal. As a result, a greater comfort is achieved by reducing the effort to drive, besides providing effectiveness to keep the vehicle speed around a desired value. In this context, this project aims the development of a Cruise Control applied to a vehicle Volkswagen Polo Sedan 2.0L 2004, in which such resource is not available. To implement this resource, the project uses an electronic engine management unit (also known as Electronic Control Unit - ECU) developed in 2013 by the Otto II project (PEREIRA, 2013). This ECU is responsible to control the engine of the respective vehicle, which allows the Cruise Control validation through a set of tests performed with the vehicle on an inertial dynamometer. However, prior to the Cruise Control design, this project focused on the ECU operation enhancement, in order to achieve the state of the art in electronic engine management units. For this goal, the project, during its first phase, performed several improvements on the control algorithms already existing in the firmware developed in 2013, such as idle speed control, electronic throttle valve control and engine starting control. At the same time, new features were fully implemented in firmware: torque control, closed loop air/fuel ratio control (lambda control), safety for the communication among ECU blocks, gear identification, support to OBD-II diagnostic, among others. In addition to the firmware development activities, the project, still in its first phase, developed a new software tool capable of monitoring several ECU parameters in real time, besides providing many functions, such as alternative board computer, an option to control the engine by simulating the throttle pedal, an option to change the idle speed and a function to automate the system identification test (task required for the Cruise Control design).