Projeto do pistão de um motor de combustão interna para um veículo de elevada eficiência energética

Abstract

Esta dissertação consiste no projeto de um pistão para o motor de combustão interna a 4 tempos de ignição por faísca a gasolina para propulsionar o Eco Veículo XC20i, que participa em competições de alto rendimento energético. Neste trabalho foi necessário dimensionar o pistão para o motor de combustão interna M3165 que permita obter um rendimento de conversão de combustível ao freio superior ao do motor já existente, otimizando o desempenho do Eco Veículo XC20i nas competições da Shell Eco-marathon. Para realizar o projeto do pistão foram utilizados dados do 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. Realizou-se uma análise térmica ao pistão, determinando a densidade de fluxo de calor de saída em cada região do pistão. Foi ainda definida uma geometria abaulada para a saia do pistão, de forma a tirar proveito da formação da película de lubrificante na redução das forças de atrito. Utilizando os dados de fluxo de calor e pressão, provenientes do programa de simulação CFM, e os coeficientes globais de transmissão de calor, procedeu-se ao projeto mecânico do componente. Para esta parte do projeto foram utilizadas ferramentas de análise estrutural por elementos finitos, ANSYS Workbench 16.0, assim como um programa de desenho CAD, Autodesk Inventor Professional 2015. Foi feita uma análise da influência de vários parâmetros geométricos nas tensões localizadas nas regiões mais problemáticas do pistão. Por fim efetuou-se um estudo comparativo englobando as melhores geometrias e os melhores materiais, em termos de coeficientes de segurança à fadiga, deformações radiais, e massa total do conjunto pistão-cavilhão.

This thesis consists of the project of a piston for a four-stroke spark ignition internal combustion engine for the Eco Veículo XC20i that participates in energy efficiency competitions. In this work it was necessary to design the piston for a internal combustion engine M3165 that allows a higher break fuel efficiency than in the current engine, optimizing the performance of the Eco Veículo XC20i in the Shell Eco-Marathon competition. This project was made using results from the four-stroke internal combustion engine simulation software CFM developed by Prof. Dr. Pedro Carvalheira. A thermal analysis of the piston was made by ascertaining the exit heat flow density in each area of the piston. It was also defined a bulged geometry to the piston skirt, with the aim of taking benefit of the film of lube generated to reduce the friction forces. Using the pressure and heat flow data obtained with the CFM simulation software and the heat transfer coefficients, the mechanical design of the part was developed. In this stage of the project finite element analysis tools (ANSYS Workbench 16.0), as well as a CAD software (Autodesk Inventor Professional 2015) were used. An analysis of the influence of the various geometric parameters on the stresses in the most problematic areas of the piston was made. Finally, a comparative study was made between the best geometries and the best materials, regarding to the fatigue safety coefficients, radial deformations and total mass of the set piston-pin.