Projecto de um Motor de Combustão Interna para um veículo Automóvel de Extra-Baixo Consumo de Combustível

Abstract

Esta dissertação engloba o projecto de um motor de combustão interna a 4 tempos de ignição por faísca a gasolina para o Eco Veículo XC20i, que participa em competições de alto rendimento energético. Os objectivos para este trabalho são o projecto de um motor de combustão interna com um rendimento de conversão de combustível ao freio superior ao já existente, M3165, assim como a diminuição da massa total do motor de forma a optimizar o desempenho do Eco Veículo XC20i nas competições da Shell Eco-Marathon.

Para realizar o projecto do motor de combustão interna foi utilizado um programa de simulação do ciclo de funcionamento de motores de combustão interna a 4 tempos de ignição por faísca (CFM), desenvolvido no DEM-FCTUC pelo Professor Doutor Pedro Carvalheira.

O projecto efectuado é bastante exaustivo, tendo sido avaliado um espectro bastante alargado das variáveis mais importantes que influenciam o rendimento de conversão de combustível ao freio de um motor de combustão interna.

Foi desenvolvido um programa para prever a espessura de filme lubrificante entre o anel do êmbolo e o cilindro, de forma a poder prever-se o trabalho de atrito com maior precisão do que aquela que o programa de simulação do CFM actualmente prevê.

Depois das principais características do motor de combustão interna terem sido definidas foi possível passar-se ao projecto mecânico dos componentes. Para esta parte do projecto foram utilizadas ferramentas de análise estrutural por elementos finitos, ANSYS Workbench 10.0, assim como um programa de desenho CAD, Autodesk Inventor Professional 2011.

O motor projectado tem uma cilindrada de 22.45 cm3 e uma relação curso/diâmetro de 0.80, sendo a cilindrada e a relação curso/diâmetro bastante inferior às do motor actual, respectivamente 31.65 cm3 e 1.12. O binário máximo ao freio do motor projectado é de 1.74 N·m face aos 2.07 N·m do motor actual.

Os objectivos para este trabalho foram alcançados tendo-se projectado um motor com um consumo específico de combustível ao freio de 248.40 g/kW·h relativamente ao valor de 272.62 g/kW·h do motor actualmente utilizado, M3165, representando uma melhoria de 11.0%. A massa do motor alcançada no fim do projecto foi de 6.058 kg, face a 7.057 kg do motor usado actualmente, verificando-se assim uma melhoria de 11.7%.

This dissertation covers the design of a 4-stroke spark ignition gasoline internal combustion engine for the Eco Veículo XC20i who participates in energy efficiency competitions. The objectives for this work are the design of an internal combustion engine with a lower brake specific fuel consumption than the existing engine, M3165, as well as reducing the total mass of the engine in order to optimize the performance of the Eco Vehicle XC20i for the competitions of the Shell Eco-Marathon. To carry out the design is used a program that simulates the operating cycle of a 4-stroke spark ignition internal combustion engine (CFM), developed in the DEM-FCTUC by Professor Pedro Carvalheira. The design carried out very exhaustively, and it has been evaluated the effect of the variation of a very broad spectrum of the most important variables that influence the brake specific fuel consumption of an internal combustion engine. A program was developed to predict the lubricant film thickness between piston ring and the cylinder to calculate the work of friction with greater precision than what the simulation program of CFM currently provides. After the main characteristics of the internal combustion engine were established it was possible to advance to the mechanical design of the components. For this part of the project a finite element structural analysis tool was used, ANSYS Workbench 10.0, as well as a CAD drawing program tool, Autodesk Inventor Professional 2011. The engine designed has a displacement of 22.45 cm3 and a stroke/bore ratio of 0.80, being both the displacement and the stroke/bore ratio well below the values for the current engine, respectively 31.64 cm3 and 1.12. The engine designed has a maximum brake torque of 1.74 N·m, in relation to the 2.07 N·m of the current engine. The objectives for this study were achieved with an engine with a brake specific fuel consumption of 248.40 g/kW·h in relation to the value of 272.62 g/kW·h of the currently used engine, M3165, representing an improvement of 11.0 %. The mass of the engine reached in the end of the project was 6.058 kg which compared to the mass of the currently used engine of 7.057 kg is an improvement of 11.7%.