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Type: Tese
Title: Estudo da eficiência de conversão de combustíveis de motor de ignição por centelha enriquecidos com mistura rica em hidrogênio obtida via reforma catalítica
Authors: Lucimar Venâncio Amaral
First Advisor: Fabrício José Pacheco Pujatti
First Co-advisor: Rita de Cássia de Oliveira Sebastião
First Referee: José Guilherme Coelho Baeta
Second Referee: Ramon Molina Valle
Third Referee: Marco André Fraga
metadata.dc.contributor.referee4: Ricardo Belchior Torres
Abstract: Os combustíveis fósseis correspondem a 72% da demanda energética no setor de transportes e são responsáveis por 59% das emissões de dióxido de carbono (CO2). Em resposta à necessidade de suprir as demandas energéticas e em consonância à redução de emissões de poluentes, este trabalho avalia, através de metodologia experimental e modelagem cinética, os efeitos da adição de uma mistura sintética gasosa contendo alto teor de hidrogênio a dois combustíveis primários (etanol e gasolina). Para fins comparativos, gás hidrogênio de elevada pureza também foi adicionado a etanol. A modelagem cinética da combustão utilizou os dados experimentais de fração mássica queimada (Mass Fraction Burned - MFB) como parâmetro para análise do processo de combustão. Etanol e gasolina foram inseridos na câmara de combustão através de injeção direta (Direct Injection - DI) e a adição da mistura sintética gasosa foi realizada através de fumigação (Fumigation System - FS), assim como a adição de gás hidrogênio de elevada pureza. Os experimentos foram realizados em um motor de pesquisa monocilíndrico, de quatro tempos, fabricado pela AVL (modelo 5405), operando dentro dos pontos referentes ao ciclo padrão FTP-75. O avanço de ignição e o percentual de mistura sintética gasosa variaram com o intuito de observar o comportamento da mistura ar-combustível. Foram utilizadas quatro rotações (1900, 2500, 3000 e 4500 rpm) combinadas a três pressões médias efetivas (3,0, 5,0 e 8,0 bar) e condição de plena carga apenas nas rotações de 3000 e 4500 rpm. Especificamente para a adição de gás hidrogênio de elevada pureza a etanol, realizou-se o procedimento experimental à única rotação de 2500 rpm e pressão de 3 bar. Foram avaliados o consumo específico de combustível indicado, a eficiência de conversão de combustível, a temperatura de exaustão, a emissão de poluentes (hidrocarbonetos não queimados, CO, NOx e CO2) e a evolução do processo de combustão. Os resultados mostraram que a adição da mistura sintética gasosa acelerou o processo de combustão quando combinado aos combustíveis primários propostos. A adição da mistura sintética gasosa ao etanol enquanto combustível primário apresentou maior aceleração da combustão quando comparado à gasolina, principalmente nos pontos de 1900 rpm e 8,0 bar, e 2500 rpm com pressões médias efetivas de 3,0 e 5,0 bar. Como consequência da aceleração do processo com o uso do etanol, observou-se redução do consumo específico de combustível e melhor centralização da combustão, fato que não se repetiu quando foi utilizada gasolina. Observou-se que maiores vazões da mistura gasosa sintética são desnecessárias para uma redução significativa do consumo específico, sendo segura quando combinada ao etanol. Como a mistura sintética gasosa pode ser obtida embarcada ao motor de combustão, se torna uma alternativa viável aos motores comercializados atualmente. A análise da modelagem cinética apresentou resultados representativos e compatíveis aos resultados experimentais, validando este método como recurso viável para análise de processos de combustão, sem a necessidade do uso de recursos experimentais como única ferramenta metodológica. Em relação às emissões, os resultados não foram conclusivos.
Abstract: Fossil fuels account for 72% of the energetic demand in the transportation sector and 59% of carbon dioxide (CO2) emissions. In response to the need to supply the energetic demand and in line with the reduction of pollutants emissions, this work evaluates, through an experimental methodology and kinetic modeling, the effects of adding a gaseous synthetic mixture, which represents the concentration of a reforming gas with high-purity hydrogen experimentally got and validated from an ethanol vapor catalytic reforming process to two primary fuels (ethanol and gasoline). For comparison, high-purity hydrogen gas was also added to ethanol. The combustion kinetic modeling used the mass fraction burned (MFB) experimental data as an entrance parameter to analyze the combustion process. Ethanol and gasoline were inserted in the combustion chamber through direct injection (DI), and the gaseous synthetic mixture was added through the fumigation system (FS). The addition of high-purity hydrogen was also done through fumigation. The experimental methods were done in a research engine working within the main parameters from the FTP-75 standard cycle. The research engine was a four-times single-cylinder from AVL (model 5405). The ignition advances and the gaseous synthetic mixture percentage varied, with the intention of observing the behavior of the mixture air-fuel. Four rotations were used (1900, 2500, 3000, and 4500 rpm) combined with three indicated mean effective pressures (3.0, 5.0, and 8.0 bar) and full charge condition only for rotations at 3000 and 4500 rpm. Specifically, high-purity hydrogen addition to ethanol was done as an experimental procedure at only 2500 rpm and 3 bar. It were evaluated the indicated specific fuel consumption, the fuel conversion efficiency, exhaustion temperature, pollutants emissions (unburned hydrocarbons, CO, NOx, and CO2), and the evolution of the combustion process. The results showed that adding the synthetic gaseous mixture accelerated the combustion process when combined with the proposed primary fuels. The addition of the gaseous synthetic mixture to ethanol as primary fuel showed higher combustion acceleration when compared to gasoline, mainly at the points at 1900 rpm and 8.0 bar, and 2500 rpm with mean effective pressures of 3.0 and 5.0 bar. As a consequence of the process acceleration by using ethanol, a reduction in specific fuel consumption and better combustion centralization were observed, a fact that was not repeated when gasoline was used. It was observed that higher flows of the gaseous synthetic mixture are unnecessary for a significative specific consumption reduction, and it is safe when combined with ethanol. As the gaseous synthetic mixture can be obtained by loading it into the combustion engine, it is a viable alternative to the currently commercialized engines. The kinetic modeling analysis showed representative and comparable data to the experimental results, validating this method as a viable resource for analyzing the combustion process without the need to use experimental resources as the only methodological tool. Regarding the emissions, the results were not conclusive.
Subject: Engenharia mecânica
Combustíveis e combustão
Álcool como combustível
Gasolina
Hidrogênio como combustível
Veículos a motor
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/74016
Issue Date: 7-Jun-2024
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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