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Advisor(s)
Abstract(s)
The search for newer ways to reduce emissions and fossil fuel consumption worldwide has be-
come more urgent than ever since climate change was identified as the main challenge of the
current century. Internal Combustion Engines (ICEs) are responsible for a large portion of emis-
sions and, for this reason, a constant search for engine efficiency improvement has been made.
The key to achieve an improved engine performance might be lying in the study of the airflow
across the intake system since several factors and phenomena which considerably limit engine
breathing and efficiency are identified. Being the major inlet flow restriction, the port-valve
assembly plays an important role in allowing the airflow to be drawn into the cylinder. In order
to measure how efficient the induction process is, discharge and flow coefficients are defined
and investigated under different intake conditions. In this sense, an experimental investigation
aiming at the study of the fluid dynamic efficiency of a multi-valve Spark-Ignition (SI) engine
during the induction stroke was carried out at the Propulsion laboratory of the University of Beira
Interior (UBI). To this purpose, the effect of adding a throttle body to the inlet system and de-
activating one inlet valve are analysed under static and dynamic conditions. Four throttle plate
angles: 30, 50, 70, and 90Āŗ were tested along with an inlet configuration without a throttle plate.
The experimental tests were conducted at a steady/unsteady flow rig in terms of dimensionless
discharge and flow coefficients, in order to understand if the dynamic performance of the port-
valve assembly can be predicted through steady discharge and flow coefficients. Throughout the
tests, the pressure drop was kept constant at 13 kPa and the valve lift varied from 0.5 mm to 8.4
mm. During each measurement, the air mass flow, inlet temperature, valve upstream pressure
and cylinder pressure are registered. The investigation highlights the influence of valve lift on
engine breathing. Moreover, it demonstrates that adding a throttle body into the inlet system
will result in reduced engine breathability in comparison to a configuration without a throttle
plate. This study also indicates that deactivating one inlet valve, in multi-valve engines, leads
to higher discharge coefficients, while the conventional configuration results in higher flow co-
efficients. The impact of the camshaft velocity on engine breathing is evaluated in terms of
mean discharge and flow coefficients. The research shows that the discharge and flow coeffi-
cients decrease slightly as the camshaft velocity increases. Overall, a good agreement between
static and dynamic results was achieved, proving that steady coefficients can predict with good
accuracy the unsteady behaviour of the intake port and valve.
A procura de novas formas de reduzir emissƵes e o consumo de combustĆveis fĆ³sseis em todo o mundo tornou-se mais urgente que nunca, uma vez que o principal desafio do sĆ©culo atual Ć© apontado como sendo as alteraƧƵes climĆ”ticas. Os motores de combustĆ£o interna sĆ£o respon- sĆ”veis por grande parte das emissƵes emitidas e, por este motivo, tem vindo a ser feita uma procura constante a fim de se conseguir obter uma melhor eficiĆŖncia nos motores. A soluĆ§Ć£o para alcanƧar um melhor desempenho de motor pode estar no estudo do fluxo de ar a atraves- sar o sistema de admissĆ£o uma vez que, atravĆ©s deste estudo, vĆ”rios fatores e fenĆ³menos que limitam significativamente a respirabilidade do motor, e consequentemente, a sua eficiĆŖncia sĆ£o identificados. O conjunto porta-vĆ”lvula Ć© o local do sistema de admissĆ£o que mais restringe o fluxo de ar, deste modo, este desempenha um papel importante ao permitir que o caudal de ar na admissĆ£o seja admitido pelo cilindro. A fim de medir a eficiĆŖncia do processo de induĆ§Ć£o, coeficientes de descarga e fluxo sĆ£o definidos e investigados sob diferentes condiƧƵes de en- trada. Neste sentido, foi realizada uma investigaĆ§Ć£o experimental com o objetivo de estudar a respirabilidade de um motor de igniĆ§Ć£o por faĆsca com mĆŗltiplas vĆ”lvulas por cilindro durante o processo de admissĆ£o. Este estudo foi realizado no laboratĆ³rio de PropulsĆ£o da Universidade da Beira Interior. Para tal, o efeito de adicionar um corpo de borboleta ao sistema de admis- sĆ£o e desativar uma vĆ”lvula de admissĆ£o sĆ£o analisados em condiƧƵes estĆ”ticas e dinĆ¢micas. Foram testados quatro Ć¢ngulos de acelerador: 30, 50, 70, e 90Āŗ, bem como uma configuraĆ§Ć£o sem borboleta de admissĆ£o. Os testes experimentais foram conduzidos num banco de ensaios estĆ”tico/dinĆ¢mico em termos de coeficientes de descarga e fluxo adimensionais, a fim de com- preender se o desempenho dinĆ¢mico do conjunto porta-vĆ”lvula pode ser previsto atravĆ©s de coeficientes de descarga e fluxo estĆ”ticos. Ao longo dos testes, a queda de pressĆ£o foi man- tida constante a 13 kPa e o levantamento da vĆ”lvula variou entre 0.5 mm a 8.4 mm. Durante cada mediĆ§Ć£o, o caudal de ar, a temperatura de admissĆ£o, a pressĆ£o a montante da vĆ”lvula e a pressĆ£o a jusante da mesma foram registadas. A investigaĆ§Ć£o realƧa a influĆŖncia do levanta- mento da vĆ”lvula na respirabilidade do motor. AlĆ©m disso, demonstra que a adiĆ§Ć£o de um corpo de borboleta ao sistema de admissĆ£o resulta numa reduĆ§Ć£o da capacidade de admitir ar por parte do motor em comparaĆ§Ć£o Ć configuraĆ§Ć£o sem borboleta. Este estudo tambĆ©m evidĆŖncia que a desativaĆ§Ć£o de uma vĆ”lvula, em motores com duas vĆ”lvulas de admissĆ£o por cilindro, tem como resultado a obtenĆ§Ć£o de maiores coeficientes de descarga, enquanto que a configuraĆ§Ć£o de duas vĆ”lvulas resulta em coeficientes de fluxo mais elevados. O impacto da velocidade da Ć”rvore de cames na respirabilidade do motor Ć© avaliado em termos de coeficientes de descarga e fluxo mĆ©dios. Os resultados mostram que os coeficientes de descarga e fluxo diminuem ligeira- mente Ć medida que a velocidade da Ć”rvore de cames aumenta. No geral, foi alcanƧada uma boa concordĆ¢ncia entre os resultados estĆ”ticos e os dinĆ¢micos, provando que os coeficientes estĆ”ticos podem prever com uma boa precisĆ£o o comportamento dinĆ¢mico da porta e da vĆ”lvula de admissĆ£o.
A procura de novas formas de reduzir emissƵes e o consumo de combustĆveis fĆ³sseis em todo o mundo tornou-se mais urgente que nunca, uma vez que o principal desafio do sĆ©culo atual Ć© apontado como sendo as alteraƧƵes climĆ”ticas. Os motores de combustĆ£o interna sĆ£o respon- sĆ”veis por grande parte das emissƵes emitidas e, por este motivo, tem vindo a ser feita uma procura constante a fim de se conseguir obter uma melhor eficiĆŖncia nos motores. A soluĆ§Ć£o para alcanƧar um melhor desempenho de motor pode estar no estudo do fluxo de ar a atraves- sar o sistema de admissĆ£o uma vez que, atravĆ©s deste estudo, vĆ”rios fatores e fenĆ³menos que limitam significativamente a respirabilidade do motor, e consequentemente, a sua eficiĆŖncia sĆ£o identificados. O conjunto porta-vĆ”lvula Ć© o local do sistema de admissĆ£o que mais restringe o fluxo de ar, deste modo, este desempenha um papel importante ao permitir que o caudal de ar na admissĆ£o seja admitido pelo cilindro. A fim de medir a eficiĆŖncia do processo de induĆ§Ć£o, coeficientes de descarga e fluxo sĆ£o definidos e investigados sob diferentes condiƧƵes de en- trada. Neste sentido, foi realizada uma investigaĆ§Ć£o experimental com o objetivo de estudar a respirabilidade de um motor de igniĆ§Ć£o por faĆsca com mĆŗltiplas vĆ”lvulas por cilindro durante o processo de admissĆ£o. Este estudo foi realizado no laboratĆ³rio de PropulsĆ£o da Universidade da Beira Interior. Para tal, o efeito de adicionar um corpo de borboleta ao sistema de admis- sĆ£o e desativar uma vĆ”lvula de admissĆ£o sĆ£o analisados em condiƧƵes estĆ”ticas e dinĆ¢micas. Foram testados quatro Ć¢ngulos de acelerador: 30, 50, 70, e 90Āŗ, bem como uma configuraĆ§Ć£o sem borboleta de admissĆ£o. Os testes experimentais foram conduzidos num banco de ensaios estĆ”tico/dinĆ¢mico em termos de coeficientes de descarga e fluxo adimensionais, a fim de com- preender se o desempenho dinĆ¢mico do conjunto porta-vĆ”lvula pode ser previsto atravĆ©s de coeficientes de descarga e fluxo estĆ”ticos. Ao longo dos testes, a queda de pressĆ£o foi man- tida constante a 13 kPa e o levantamento da vĆ”lvula variou entre 0.5 mm a 8.4 mm. Durante cada mediĆ§Ć£o, o caudal de ar, a temperatura de admissĆ£o, a pressĆ£o a montante da vĆ”lvula e a pressĆ£o a jusante da mesma foram registadas. A investigaĆ§Ć£o realƧa a influĆŖncia do levanta- mento da vĆ”lvula na respirabilidade do motor. AlĆ©m disso, demonstra que a adiĆ§Ć£o de um corpo de borboleta ao sistema de admissĆ£o resulta numa reduĆ§Ć£o da capacidade de admitir ar por parte do motor em comparaĆ§Ć£o Ć configuraĆ§Ć£o sem borboleta. Este estudo tambĆ©m evidĆŖncia que a desativaĆ§Ć£o de uma vĆ”lvula, em motores com duas vĆ”lvulas de admissĆ£o por cilindro, tem como resultado a obtenĆ§Ć£o de maiores coeficientes de descarga, enquanto que a configuraĆ§Ć£o de duas vĆ”lvulas resulta em coeficientes de fluxo mais elevados. O impacto da velocidade da Ć”rvore de cames na respirabilidade do motor Ć© avaliado em termos de coeficientes de descarga e fluxo mĆ©dios. Os resultados mostram que os coeficientes de descarga e fluxo diminuem ligeira- mente Ć medida que a velocidade da Ć”rvore de cames aumenta. No geral, foi alcanƧada uma boa concordĆ¢ncia entre os resultados estĆ”ticos e os dinĆ¢micos, provando que os coeficientes estĆ”ticos podem prever com uma boa precisĆ£o o comportamento dinĆ¢mico da porta e da vĆ”lvula de admissĆ£o.
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Keywords
Caudal de Ar Coeficiente de Descarga Coeficiente de Fluxo Motor de CombustĆ£o Interna Sistema de AdmissĆ£o