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Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um banco de ensaios para motores de combustão interna de automóveis ligeiros a ser montado no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Coimbra. O banco irá testar motores até 133 kW de potência permitindo obter as suas curvas de potência e binário em função da velocidade angular do motor, e avaliar o desempenho do mesmo sob determinados ciclos de condução.Neste trabalho foi dimensionada uma instalação onde o banco de ensaios será inserido. Começou-se o projeto desta célula fazendo um estudo dimensional de forma a garantir o espaço necessário para integrar todos os componentes e permitir a movimentação do utilizador e dos equipamentos no interior da mesma. No interior da célula irão estar inseridos o motor que se pretende testar, a caixa de velocidades, o freio dinamométrico e uma base onde os componentes serão montados.Projetou-se um sistema de ventilação incorporando dois ventiladores axiais que garantem a renovação do ar no interior da célula e extraem eventuais poluentes contidos no ar. Desenvolveu-se também uma solução para o isolamento acústico do interior da célula usando painéis metálicos perfurados com núcleo de lã mineral para revestir toda a envolvente interior da célula por forma a minimizar o ruído que se transmite para o exterior da célula. De forma a isolar as vibrações, provenientes do motor em funcionamento, do edifício foram selecionados seis apoios elásticos anti vibratórios que irão suportar toda a massa do sistema constituído pela base, motor, freio e caixa de velocidades.Por último foram dimensionados dois sistemas de arrefecimento independentes para o freio e para o motor juntamente com sistemas de tubagens por onde irá circular o líquido de arrefecimento. Foram selecionados radiadores capazes de extrair as potências caloríficas geradas no freio e no motor e ainda bombas hidráulicas capazes de bombear o líquido nos dois sistemas de arrefecimento. The present work has as objective the development of a test bench for internal combustion engines of light automotive vehicles to be assembled at the Department of Mechanical Engineering of the University of Coimbra. The test bench will test engines up to 133 kW of power, allowing to obtain their power and torque curves as a function of the angular speed of the engine, and to evaluate its performance under certain driving cycles.In this work, the installation where the test bench will be inserted was dimensioned. The design of this cell began with a dimensional study in order to guarantee the space needed to integrate all the components and allow the user and equipment to move inside it. Inside the cell will be inserted the engine to be tested, the gearbox, the dynamometric brake and a base where the components will be mounted.A ventilation system was designed incorporating two axial fans that ensure the renewal of air inside the cell and extract any pollutants contained in the air. A solution was also developed for the acoustic insulation of the cell interior using perforated metal panels with a mineral wool core to cover the entire interior of the cell in order to minimize the noise transmitted to the outside of the cell. In order to isolate the vibrations from the engine in operation from the building, six elastic anti-vibration supports were selected, which will support the entire mass of the system consisting of the base, engine, brake and gearbox.Finally, two independent cooling systems were designed for the brake and the engine, together with piping systems through which the coolant will circulate. Radiators capable of extracting the heat power generated in the brake and the engine were selected, as well as hydraulic pumps capable of pumping the liquid in the two cooling systems.

Submitted by Maria João Ferreira (maria.j.ferreira@ipleiria.pt) on 2020-11-18T14:33:37Z No. of bitstreams: 1 Revisão_Dissertação_Mestrado_Alexandre_Borges_com correções formais.pdf: 5952318 bytes, checksum: 7ad77408216f4c64b0504314a6af1794 (MD5) Made available in DSpace on 2020-11-18T14:33:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Revisão_Dissertação_Mestrado_Alexandre_Borges_com correções formais.pdf: 5952318 bytes, checksum: 7ad77408216f4c64b0504314a6af1794 (MD5) Previous issue date: 2020-07-30

Esta dissertação tem como objetivo estimar a Altura Livre Positiva de Aspiração (Net Pressure Suction Head, NPSH). Esta grandeza surgiu como uma resposta dos engenheiros ao elevado número de bombas que se danificavam devido a fenómenos de cavitação. Em 1932, o Hydraulic Institute propôs um método de deteção de cavitação através de um critério de redução de 3% da altura fornecida pela bomba. Atualmente, embora haja métodos mais evoluídos para identificar a presença de cavitação, o método dos 3% continua a ser utilizado pela indústria para caracterizar a pressão de aspiração de uma bomba. Esta dissertação tem como objetivo testar e validar a precisão deste método. Para tal foi utilizado o banco de ensaios presente no laboratório da Secção de Dinâmica dos Fluidos e Termodinâmica Aplicada da FCT-UNL. No início deste trabalho, este banco de ensaio não possuía a devida instrumentação para a determinação das curvas de NPSH, porém e no âmbito desta tese, modificou-se o mesmo de forma a que se pudesse determinar, não só a curva de NPSH(Q), mas como todas as curvas necessárias para caracterizar uma bomba centrífuga. Concluiu-se que apesar de haver métodos mais apurados para detetar cavitação com um banco de ensaios bem equipado, o método dos 3% de queda fornece resultados coerentes. Foram realizados ensaios onde obtiveram-se as curva H(Q), P(Q), e η(Q). As curvas NPSH(Q) foram conseguidas através de dois métodos diferentes. Concluiu- se que, embora muito semelhantes, não se sobrepunham devido à influência do erro dos sensores na leitura dos dados.

Submitted by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2020-11-03T12:15:03Z No. of bitstreams: 1 DM_HelderPedras_2020_MEM.pdf: 10543463 bytes, checksum: 533cb2890b3eaf0d06a5a37e4cc7d30a (MD5) Approved for entry into archive by Ana Rebelo (amsr@isep.ipp.pt) on 2020-11-03T12:16:49Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DM_HelderPedras_2020_MEM.pdf: 10543463 bytes, checksum: 533cb2890b3eaf0d06a5a37e4cc7d30a (MD5) Made available in DSpace on 2020-11-03T12:16:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DM_HelderPedras_2020_MEM.pdf: 10543463 bytes, checksum: 533cb2890b3eaf0d06a5a37e4cc7d30a (MD5) Previous issue date: 2020

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia O principal objetivo deste trabalho é analisar às necessidades de condicionamento de temperatura de um banco de ensaios para a sua implementação no Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC). Foram estabelecidos diversos parâmetros que os equipamentos e a instalação devem cumprir para um seguro e bom funcionamento do banco de ensaios. São feitas algumas recomendações acerca do trabalho que deve ser feito após a instalação estar concluída.Entre os diversos parâmetros estabelecidos encontram-se a potência de arrefecimento/aquecimento, o caudal de água necessário para humidificação do sistema de AVAC (aprovisionamento de ar devidamente condicionado ao motor de combustão interna) para as condições de projeto estabelecidas e caudal de ventilação da célula do banco de ensaios.São apresentados sistemas de segurança indispensáveis à implementação do banco de ensaios. É feita uma discussão acerca das várias opções e é selecionada a melhor ou melhores tendo em conta vários critérios.O controlo do caudal proveniente do chiller para o permutador, que promoverá o arrefecimento do motor, terá que ser analisado e aperfeiçoado em trabalhos futuros (testes experimentais e posterior comparação experimental de vários métodos).Foi feita a modelação do sistema de arrefecimento de um motor de combustão interna com o objetivo de posteriormente perceber o que esperar nos ensaios realizados. A modelação tem como principal objetivo, prever o comportamento do sistema de arrefecimento em diversos regimes, constantes e dinâmicos. Foram analisados alguns parâmetros que afetam o funcionamento do sistema de arrefecimento. Os parâmetros analisados foram: temperatura ambiente, inclinação da rodovia, mudança de radiador, velocidade do veículo e incrustações no radiador (todos eles revelam algum impacto no sistema).Foi concluído que todos os parâmetros testados afetam o funcionamento do radiador. A presença de incrustações leva a um aumento elevado da abertura do termóstato. A temperatura ambiente elevada afeta diretamente o consumo de combustível, pela temperatura mais elevada do óleo e menor resistência do ar resultando numa diminuição do consumo de combustível. Os regimes de maior esforço para o sistema de arrefecimento são regimes de elevada potência e baixa velocidade do veículo. Foi concluída que para todos os casos modelados o líquido de arrefecimento no interior do motor mantem a sua homogeneidade de temperatura, havendo um gradiente de temperatura muito baixo ao longo da passagem do líquido de arrefecimento pelo motor. The main objective of this work is to analyze the temperature conditioning requirements of a test bench for its implementation in the Department of Mechanical Engineering (DEM) of the Faculty of Sciences and Technology of the University of Coimbra (FCTUC). Several parameters have been established that the equipment and the installation must comply with, for a safe and well functioning test bench. Some recommendations are made about the work that must be done after the installation is complete.Some of the various parameters established include the cooling / heating power, the water flow required for humidification of the HVAC (heat ventilation and air conditioning) system (air supply properly conditioned to the internal combustion engine) for the established design conditions and the ventilation of the test bench.Safety systems that are essential for the implementation of the test bench are presented. A discussion is made about the various options and is selected the best or best considering several criteria.Control of the flow from the chiller to the heat exchanger, which will promote the cooling of the engine, will have to be analyzed and improved in future work (experimental tests and later experimental comparison of several control methods).The modeling of the cooling system of an internal combustion engine was designed in order to later understand what to expect in the tests performed. The main purpose of the modeling is to predict the behavior of the cooling system in several constant and dynamic regimes. Some parameters were analyzed that affect the operation of the cooling system. The parameters analyzed were: ambient temperature, road slope, radiator change, vehicle speed and fouling in the radiator (all of them reveal some impact on the system).It was concluded that all parameters tested affect the radiator operation. The presence of fouling highly increases the thermostat opening. The high ambient temperature directly affects the fuel consumption, the higher oil temperature and lower air resistance resulting in a decrease in fuel consumption. The most stressful regimes for the cooling system are high power and the vehicle at low speed. It was concluded that for all modeling cases produced the coolant inside the engine maintains its homogeneity of temperature, there being a very low temperature gradient along the passage of the coolant by the engine.

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia Os veículos automóveis têm ajudado, em grande medida, à evolução da sociedade moderna, e com isso leva a uma cada vez maior aposta em transporte pessoal, sendo que o número de automóveis ligeiros subiu exponencialmente nas últimas décadas.Este aumento levou a que houvessem consequência nefastas da sua utilização em massa, consequências essas que vão estar directamente ligadas com a maneira como o Homem vai viver no nosso planeta nas próximas décadas.O objetivo principal deste trabalho é projetar um banco de ensaios capaz de testar motores de combustão interna para veículos automóveis ligeiros, atmosféricos e turbo comprimido, quer a Diesel como a gasolina, capaz de avaliar e testar as capacidades de funcionamento dos componentes, o rendimento energético do motor, emissão de poluentes em ciclos de carga pré-definidos.Assim será possível fazer testes de potência, de combustíveis, de lubrificantes, de componentes, e de sistemas de escape de maneira a tornar o motor mais eficiente e consequentemente obter soluções capazes de reduzir os efeitos prejudiciais para o ambiente proveniente da sua utilização.O intuito é perceber quais as melhores soluções para cada componente que constitui o banco de ensaios, fazendo uma seleção criteriosa das soluções que existem no mercado e dimensionar essas mesmas soluções para o banco de ensaios de veículos automóveis ligeiros. A análise é feita tanto a nível estrutural como uma análise energética, uma vez que os motores usados são máquinas térmicas. A disposição desses mesmos componentes também é tida em consideração. O banco de ensaios terá a capacidade para testar motores de combustão interna até 150 kW de potência e uma velocidade de rotação máxima de 7000 RPM. Motorized vehicles have helped, to a great extent, the evolution of modern society, and that leads to an ever-increasing focus on personal transport, with the number of light vehicles rising exponentially in recent decades. This increase led to disastrous consequences of its mass use, consequences that will be directly linked to how Man is going to live on our planet in the coming decades.The main objective of this work is to design a test bench capable of testing internal combustion engines for light, air and turbocharged, either Diesel or petrol, vehicles capable of evaluating and testing the components operating capacities, engine energy efficiency and emissions of pollutants in Pre-defined loads cycles.This will make it possible to test power, fuel, lubricants, components and exhaust systems in order to make the engine more efficient and consequently to obtain solutions capable of reducing the harmful effects to the environment from its use.The aim is to understand the best solutions for each component that constitutes the test bench, making a careful selection of the solutions that exist in the market and to size these same solutions for the test bench of light-duty vehicles. The analysis is done both at the structural level and an energy analysis, since the engines used are thermal machines. The provision of those same components is also taken into account.The test bench will have the capability to test internal combustion engines up to 150 kW of power and a maximum rotation speed of 7000 RPM..

Mestrado em Engenharia Mecânica A indústria automóvel encontra-se em constante evolução e mudança principalmente pelos novos desafios ambientais e a permanente expetativa de satisfação dos seus clientes normalmente assente na fiabilidade/durabilidade dos veículos e seus componentes. Neste âmbito a utilização tecnologias avançadas ao nível da definição, produção e teste dos componentes é fundamental para manter a competitividade neste sector. A rápida evolução deste setor leva a que algumas vezes os novos avanços na definição e produção dos componentes não seja acompanhada pelos procedimentos e equipamentos de ensaio destes, já que estes envolvem custos muito elevados e a elaboração de novos procedimentos de ensaio demoram bastante tempo a serem definidos e aprovados. Devido aos prazos extremamente curtos de desenvolvimento de novos componentes neste sector, normalmente a fase de ensaios e validação destes componentes é realizada com base numa recondução de procedimentos de ensaio anteriores em equipamentos pré-existentes. Esta situação conduz a que muitas das vezes os ensaios realizados aos componentes em banco de ensaio não sejam os mais representativos do funcionamento em ambiente real dos componentes, conduzindo posteriormente a desfasamento entre os resultados reais de fiabilidade e performance dos componentes e os quantificados no banco de ensaios do componente. Neste âmbito, o trabalho desenvolvido, em estágio curricular, consistiu no projeto e desenvolvimento de propostas de adaptações a realizar num banco de ensaios de endurance de bombas de óleo já existente na empresa RENAULT CACIA S.A, de modo a que este permita replicar de forma mais fidedigna as condições de ensaio do banco de ensaios motor instalado na unidade industrial da Renault em Valladolid, sendo este último mais representativo das condições de funcionamento real das bombas óleo no veículo. As condições de ensaio a replicar estendem-se principalmente ao nível da pressão à saída da bomba em fun- ção do regime de acionamento. Para tal, e utilizando o banco de ensaio de endurance da empresa RENAULT CACIA S.A., foram realizados, ensaios de caracterização hidráulica. Os ensaios visam, essencialmente, avaliar o comportamento hidráulico da bomba de acordo com o circuito hidráulico inicial, isto é, antes de qualquer adaptação. Complementarmente foram efetuadas medições de perdas de carga, evolução da pressão à saída da bomba consoante o regime de rotação e caracterização hidráulica segundo um determinado ciclo de ensaio. Posteriormente, os resultados foram comparados com os resultados provenientes dos ensaios realizados em banco motor de Valladolid, sob as mesmas condições iniciais de ensaio e com o mesmo tipo de bomba. Após a análise e discussão de resultados, foram desenvolvidas propostas de projeto para a adaptação do banco de ensaios de endurance da bomba de óleo, de modo a que este consiga assegurar a replicação dos parâmetros de ensaio verificados no banco ensaio motor. As adaptações a realizar visam, a implementação de um circuito de lubrificação independente, a adaptação de uma válvula proporcional reguladora de caudal no circuito de ensaio e a implementação de um suporte do encoder para cada estação de ensaio. Automotive industry is in constant evolution and change, mainly due to new environmental challenges and constant expectation of fulfillment from its own customers normally lies down on reliability/durability of vehicles and its components. Regarding this, the usage of advanced technologies at concept, production and testing level of components, is crucial in order to keep competitively among this field. A quick evolution from this field leads, sometimes, to new accomplishments on definition and production of components that are not piloted by procedures and testing equipment, so they involve higher costs and formulation of new testing procedures that could take too much time to be realized and approved. Due to the extremely short deadlines for the development of new components in this field of industry, usually the testing and validating step of these components is based on the reinstatement of earlier testing procedures in pre-existing equipment. This is a situation in which the test systems are no longer representative of the real-world operation of the components, leading to a mismatch between the results from the actual component reliability and performance and those from the component testing bench. In this context, the work developed, as a curricular internship, consisted in the design and development of proposals for adaptations to be performed in an existing oil pump endurance testing bench in the company RENAULT CACIA SA, in order to allow it to replicate, in a more reliable way (as much as possible), the test conditions of the engine testing bench installed in the Renault industrial plant in Valladolid, the latter being more representative of the real running conditions of the oil pumps in vehicles. The test conditions to replicate are, mainly, the pressure at the pump's exit as a function of the drive rotation. To do so, by using the endurance testing bench on the company RENAULT CACIA S.A., were performed, hydraulic characterization tests. The tests themselves aim to, essentially, evaluate the oil pump's hydraulic behavior according to the initial hydraulic circuit, i.e. before any adaptation. Additionally, it were performed measurements regarding hydraulic head losses, evolution of the pressure at the pump's exit as a function of the drive rotation and hydraulic characterization according to a speci ed testing cycle. Later, it were compared the results with those from the engine testing bench from Valladolid, under the same initial test conditions and the same type of pump. After data analysis and discussion, project proposals were developed for the oil pump endurance testing bench adaptation, in such a way this bench could succeed on the replication of test parameters verified at the engine testing bench. The following adaptations to perform aim, an application of an independent lubricating circuit, an adaptation of a control ow proportional valve and an application of an encoder support for each station of the endurance testing bench

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica, O teste de desempenho de automóveis é normalmente feito com bancos de ensaio comerciais, cujo custo de aquisição é avultado e cuja flexibilidade de operação é, frequentemente, muito limitada, pelo menos no que toca aos modelos mais básicos e acessíveis economicamente. No entanto, parece viável desenvolver uma bancada com boa flexibilidade de operação a um custo comportável. Neste trabalho foram concebidas, desenhadas e projetadas três instalações para avaliar as prestações de veículos, vulgarmente denominados por bancos de ensaios. São descritas as formas de testar e avaliar motores e veículos, assim como a tecnologia associada aos bancos de ensaios, no sentido de compreender o seu funcionamento. É descrita também a construção dos bancos, sendo possível perceber todos os cálculos realizados e os critérios de seleção elegidos. O primeiro banco de ensaios permite avaliar as prestações de um pequeno e leve veículo (EconomicUM) que participa em competições de consumo (Eco Marathon Shell). Paralelamente, Foram modelados testes no EconomicUM através do banco de ensaios, e criada uma modelo matemático que simula a aceleração do veículo em prova, sendo consideradas todas as perdas existentes no veículo. O segundo banco de ensaios construído permite a simulação de ciclos de condução para veículos elétricos. Foi desenhado de modo a conseguir-se avaliar o desempenho do motor elétrico, o consumo de energia nas baterias e a quantidade de energia regenerada numa travagem ou em ciclos de condução. No sentido da otimização do banco, foram medidas as perdas de atrito de forma a serem incluídas nas simulações. Por último, foi desenvolvido um banco de ensaios do formato chassis que pode testar veículos até 2500 kg com uma potência de até 600 cv por eixo motriz, podendo ser utilizado por veículos de entre-eixo muito reduzido (como é o caso do Smart Fortwo) e de entre eixo considerável (Mercedes classe S). Este banco possibilita medições sem a necessidade de travagem pelo freio devido à sua massa equivalente de 1700 kg., Vehicle testing is normally made through commercial test benches, which display a high purchasing price. Additionally, their flexibility of operation is often limited, at least when referring to affordable baseline models. However, it seems viable to develop test benches which may display good flexibility of operation at a reasonable cost. In this work three test benches were conceived, designed and engineered to evaluate the performance of vehicles. Firstly, the ways to test and evaluate the engines and vehicles are described, as well as the technology associated with the test benches and their working principle. A description of the construction of the bench is made and it’s possible to see all the calculations made and the elected selection criteria. The first test bench allows to evaluate the performance of a small and lightweight vehicle (EconomicUM) that is involved in consumption competitions (Eco Marathon Shell). In parallel, simulations of the EconomicUM in the test bench were performed, and a mathematical modelling that simulates the acceleration of the vehicle in test was created, considering all existing energy losses in the vehicle. The second test bench allows the simulation of driving cycles for electric vehicles. It was designed to be able to evaluate the performance of the electric motor, the energy consumption in the batteries and the amount of regenerated energy when braking during driving cycles. In order to characterize the bench, the frictional losses were measured and included in the simulations. Finally, a bench test in a chassis format was developed. It is able to test vehicles up to 2500 kg with powers up to 600 HP per drive shaft, and it can also be used by vehicles with very small wheelbases (the case of the Smart Fortwo) and of considerable wheelbases (Mercedes class S). This bench allows measurements without the need of the braking due to its equivalent inertial mass of 1700 kg.

Made available in DSpace on 2018-07-18T16:15:23Z (GMT). No. of bitstreams: 2 4749_9461.pdf: 2468772 bytes, checksum: 8dd4713ab0fd72dc9a62e26d97055e7e (MD5) 4749_9835.pdf: 2771390 bytes, checksum: 1376b1e4f201ef8865631fecb38fc41f (MD5) Previous issue date: 2016-06-13