Piston design of a gasoline direct injection internal combustion engine

Abstract

This dissertation consists in the design and improvement of a piston for a four-stroke spark ignition internal combustion engine which equips the EP6CDT engine which is produced by PSA Automobiles® Company.The engine presents 1.6 liters of displacement volume, turbocharged and direct injection. In this type of injection, the injector tip is placed in the combustion chamber, where the fuel is injected directly into it.The aim of this dissertation is design a piston for an engine delivering a better performance, lasting more and having an improved efficiency.To accomplish it an internal combustion engine working cycle (EWC) simulator software developed by Prof. Dr. Pedro Carvalheira was applied in the EP6CDT engine. This simulator software consists in an Excel sheet where engine parameters are introduced in order to discover the heat flux from the combustion gases.Based on the results supplied by the EWC simulation software and the heat transfer coefficients, a piston is designed. A CAD software called Autodesk Inventor Professional 2017 and a finite element analysis (FEA) program called ANSYS Workbench 18.0 is used for thermal and pressures simulations. A stress analysis was made in the most problematics areas of the piston and piston pin.Finally, it was made a comparative study between the original geometry and the final one of the piston regards to the fatigue safety factor which lead to the change of top land height, admission valve fillet at the piston crown, fillet at the upper side of 1st ring groove, hole pin diameter size, pin length, removal of the pin lock ring and pin lock ring groove and total mass of the set piston-pin-connecting rod.

A presente dissertação de mestrado consiste no design e otimização de um pistão constituinte de um motor de quatro tempos com ignição por faísca que equipa o motor EP6CDT, sendo este produzido por PSA Automobiles. O motor EP6CDT é um motor de 1.6 litros de cilindrada, turbo-comprimido e de injeção direta a gasolina. Neste tipo de injeção, a ponta do injetor está colocada na câmara de combustão, sendo o combustível injetado diretamente para esta. O foco desta dissertação consiste em redesenhar o pistão de modo que este apresente uma melhor performance, tenha uma maior longevidade e uma melhor eficiência. Para isto, um software destinado a simular o ciclo de funcionamente de um motor de combustão (CFM) desenvolvido pelo Professor Doutor Pedro Carvalheira foi aplicado no motor EP6CDT. Este software de simulação consiste numa folha de Excel onde são introduzidos os parâmetros do motor com o objetivo de igualar os parâmetros fornecidos por PSA Automobiles. Tento por base os resultados obtidos através do software de simulação e os respectivos coeficientes de transmissão de calor, foi projectado um pistão. Com a ajuda de um software de CAD, Autodesk Inventor Professional 2018 e um software de análise de elementos finitos (FEA), Ansys Workbench 18.2, sendo este último usado para análises térmicas e mecânicas que o pistão irá sofrer no seu normal funcionamento. Foi ainda realizada uma análise de fadiga nas zonas mais problemáticas quer do pistão quer do cavilhão. Para finalizar foi feito um estudo comparativo entre a geometria inicial e final do pistão tendo em conta o coeficiente de segurança à fadiga que levou à alteração da espessura da top land, raio de concordância da caixa do primeiro anel, raio de concordância da válvula de admissão na coroa do pistão, diâmetro do furo do cavilhão, comprimento do cavilhão, remoção do freio do cavilhão e da respetiva ranhura e a massa total do conjunto pistão e cavilhão.