Design of the valve actuation mechanism of a four-stroke spark ignition internal combustion engine

Abstract

The goal of this work is to design the valve actuation mechanism of a naturally aspirated, four-stroke, spark ignition internal combustion engine, for an urban vehicle. The engine has a 1.0-liter displacement volume, three cylinders inline, with four valves per cylinder and port fuel injection. The work began by performing numerical simulations using software developed at DEM-FCTUC [1]. This software models the engine cycle to determine the valve lift and valve opening and closing angles. The simulations are performed in the engine torque and speed domain of use, for the functional requirements of the engine. Two architectures of the valve actuation mechanism were defined. The kinematic and dynamic studies were then made, and the friction power of the two mechanisms, as a function of engine speed, was evaluated. Afterwards the architecture was selected. The following components of the actuation mechanism were object of detailed design in Autodesk Inventor 2016: intake and exhaust valves, intake and exhaust valve springs, bucket tappets, valve retainers, valve keepers, valve beads, valve guides and valve seats.

A motivação para este trabalho consiste em efetuar a seleção e o projeto detalhado de um mecanismo de acionamento de válvulas de um motor de combustão interna, de ciclo de quatro tempos e ignição por faísca, para um veículo automóvel utilitário. O motor tem 1.0 litro de cilindrada, três cilindros em linha, quatro válvulas por cilindro e injeção na porta de admissão. O trabalhou começou pela realização de simulações de modelação do ciclo de funcionamento do motor, usando o programa “Ciclo de Funcionamento do Motor” desenvolvido no DEM-FCTUC [1], para determinar o levantamento máximo e os ângulos de abertura e fecho das válvulas de admissão e escape em função da velocidade de rotação do motor. Foram definidas duas arquiteturas para o trem de válvulas, efetuados estudos cinemáticos e dinâmicos e avaliado o atrito de ambos os mecanismos em função da velocidade de rotação do motor. De seguida foi efetuada a seleção da arquitetura mais adequada, em função dos requisitos funcionais do mesmo. Os componentes seguintes do mecanismo de acionamento das válvulas do motor foram objeto de desenho pormenorizado em software de desenho CAD-3D (Autodesk Inventor 2016): válvulas de admissão e de escape, molas das válvulas de admissão e escape, touches, retentores das válvulas, pratos das válvulas, meias-luas, guias das válvulas e sedes das válvulas.