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Type: Tese de Doutorado
Title: Simulação de emissões de misturas gasolina/etanol em motores de combustão interna
Authors: Juan Canellas Bosch Neto
First Advisor: Jose Eduardo Mautone Barros
First Referee: Ramon Molina Valle
Second Referee: Roberto Marcio de Andrade
Third Referee: José Ricardo Sodré
metadata.dc.contributor.referee4: TADEU CAVALCANTE CORDEIRO DE MELO
Abstract: O presente trabalho consistiu no desenvolvimento de rotinas computacionais para a previsão de emissões em motores de combustão interna a partir do acoplamento da metodologia do equilíbrio químico com a cinética química. A modelagem matemática da metodologia do equilíbrio químico foi baseada em balanços de massas e em relações de equilíbrio gerando um sistema não-linear com vinte e duas incógnitas e vinte e duas equações resolvidas pelo método de Newton-Raphson. Foi possível calcular as concentrações de vinte e uma espécies químicas geradas na combustão de diversos combustíveis, misturas de combustíveis, como etanol e gasolina, para uma determinada pressão, temperatura e razão combustível/ar. Para a resolução pelo método numérico de Newton-Raphson foi necessário que as inicializações estivessem sempre próximas da solução para que houvesse garantia de convergência do sistema. Dessa forma foi necessário realizar um procedimento em que as soluções obtidas realimentassem as rotinas. Com essa metodologia de inicialização para a metodologia de equilíbrio químicoa assegurou-se a convergência do sistema. O algoritmo foi implementado no software MATLAB, versão 7.4, tendo como entradas a temperatura, relação combustível/ar, a pressão na câmara de combustão e o tipo de combustível (fórmula mínima do combustível). As saídas da rotina são as concentrações de vinte e uma espécies geradas na reação de combustão e o número de moles das mesmas. Após o desenvolvimento da rotina de equilíbrio químico realizou-se um acoplamento com uma rotina de cinética química para aprevisão de espécies que possuem uma cinética lenta, como os compostos nitrogenados e o monóxido de carbono. Utilizou-se seis equações para a previsão de espécies pela cinética química sendo três delas pertencentes ao mecanismo de Zeldovich. Um programa de simulação de motores foi desenvolvido a partir do acoplamento da metodologia de equilíbrio à metodologia de cinética química. O programa necessita de dados da curvas de pressão do motor, temperatura e relação combustível/ar versus ângulo do virabrequim. A medida que o ângulo do virabrequim avança em pequenos passos, tem-se o cálculo das composições, onde as derivadas calculadas, são armazenadas e integradas posteriormente pelo método de Runge-Kutta. Gerou-se uma série de simulações e uma delas foi confrontada com osresultados obtidos na literatura de experimentos em uma bancada de motores de combustão interna. Foi desenvolvida uma rotina desacoplada para previsão de hidrocarbonetos formados nas aberturas da câmara de combustão. Os resultados obtidos na simulação computacional foram compatíveis com os valores encontrados nos dados experimentais. O diferencial desse trabalho em relação aos trabalhos comumente encontrados na literatura é que o mesmo acopla diretamente a metodologia de equilíbrio químico com a metodologia decinética química reduzida e posterior integração numérica do sistema de equações diferenciais não-lineares, obtendo um resultado de simulação computacional com robustez, melhor convergência e maior rapidez de cálculo que os softwares similares.
Abstract: This work was the development of computational algorithms for prediction of emissions in internal combustion engines from the coupling of the methodology of chemical equilibrium with the chemical kinetics. Mathematical modeling of chemical equilibrium methodology was based on mass balances and equilibrium relationships generating a non-linear system with twenty-two and twenty-two unknowns equations solved by the Newton-Raphson method. It was possible to calculate the concentrations of twenty-one chemical species generated in the combustion of various fuels, fuel blends, such as gasoline and ethanol, for a given pressure,temperature and fuel / air ratio. To solve the numerical method of Newton-Raphson was necessary that the initial estimatives were always close to the solution, so there would guarantee the convergence of the system. Thus it was necessary to perform a procedure in which the solutions obtained feed initial estimates of the routines. The algorithm was implemented in the MATLAB software, version 7.4, having as inputs the temperature, the relative air / fuel, the pressure in the combustion chamber and the fuel type (formula minimum fuel). The outputs of the routine concentrations were twenty-one species generated in the combustion reaction and the number of moles thereof. After the development of routine chemical equilibrium was performed with a coupling routine chemical kinetics for predicting species having a slow kinetic, such as nitrogen and carbon monoxide. We used six equations for predicting species by chemical kinetics three of them belonging to theZeldovich mechanism. A simulation program was developed engines from the coupling of equilibrium methodology to the methodology of chemical kinetics. The program needs data from the pressure curves of the engine temperature and relative fuel / air versus crankshaft angle. As the crank angle advances in small steps, it has been the method of compositions where the derivatives calculated, stored and subsequently integrated by the Runge-Kutta method. Generating a series of simulations and one of them was compared to the results ofexperiments in the literature in a bank of internal combustion engines. Was developed a routine for predicting uncoupled hydrocarbon openings formed in the combustion chamber. The results obtained in the simulation were similar to the values found in the experimentaldata. The difference of this work in relation to the works commonly found in the literature is that it directly engages the methodology of chemical equilibrium with the methodology of chemical kinetics and reduced subsequent numerical integration of the system of nonlinear differential equations, obtaining a result of computer simulation with robustness, better convergence and faster calculation that similar software.
Subject: Engenharia mecânica
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-92FFZP
Issue Date: 14-Aug-2012
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