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Type: Dissertação de Mestrado
Title: Metodologia numérica para caracterização da injeção de combustível e formação da mistura para desenvolvimento de motores de combustão interna
Authors: Felipe Grossi Lamas Amorim
First Advisor: Ramon Molina Valle
Abstract: O crescimento da frota mundial de automóveis gera o aumento das emissões de gases nocivos ao meio ambiente. Com isso, faz-se necessário buscar o melhor entendimento sobre o funcionamento dos motores de combustão interna (MCI), a fim de melhorar o seu rendimento. Um dos fatores que influenciam a eficiência de combustão dos motores é a injeção de combustível, que resulta na formação de mistura dentro do cilindro do motor e influencia diretamente a combustão. Este trabalho visa desenvolver uma metodologia geral na qual são feitas simulações computacionais tridimensionais utilizando o programa Star-cd e o módulo es-ice com o intuito de realizar uma caracterização numérica completa da injeção de combustível (etanol) e formação de mistura em um motor duas válvulas em fase de projeto. A metodologia consiste em duas etapas, sendo que na primeira apenas o spray de um injetor, instalado em uma câmara à pressão atmosférica, foi caracterizado numericamente e os resultados foram validados com dados experimentais. Na segunda etapa, os parâmetros e condições utilizados anteriormente e validados para o spray do injetor são inseridos como dados de entrada para uma simulação completa do motor objetivo, com análise de diferentes condições de injeção. Dessa maneira, a metodologia proposta neste trabalho permite estudar e prever o comportamento de parâmetros importantes da injeção de combustível em um motor quando o mesmo se encontra em fase de projeto, o que pode melhorar a eficiência do produto final. A metodologia proposta apresenta excelentes resultados para a primeira etapa, na qual houve diferença de apenas 0,2% entre resultados numéricos e experimentais, considerando-se assim validada a caracterização do spray em câmara atmosférica. Os resultados da segunda etapa mostram o comportamento da formação de mistura, para as condições analisadas, indicando perdas de combustível, evaporação incompleta, misturas muito pobres, locais de acúmulo de líquido, entre outros problemas difíceis de serem detectados experimentalmente, ressaltando a importância da metodologia numérica. A metodologia proposta mostrou também bons resultados para representar a recirculação do ar no interior do cilindro e na abertura das válvulas, sendo possível observar a relação entre parâmetros, como o tumble e o swirl, durante as fases de admissão e compressão. A partir destes resultados, obtidos para uma determinada condição de injeção do motor, é possível ajustar parâmetros do projeto e atualizar condições de contorno que levem a novas condições de injeção que acarretem maiores eficiências de combustão. Desta forma, o presente trabalho pode contribuir no projeto de motores mais eficientes, com menores índices de emissões e melhores desempenhos.
Abstract: The growth of the world vehicle fleet generates the increase of the greenhouse gases emissions, which makes necessary to improve the comprehension of the Internal Combustion Engines (ICE) operation, in order to enhance their efficiency. One of the factors that affect the combustion in these engines is the fuel injection, which leads to the mixture formation and influences directly the combustion. This work aims to develop a general methodology in which tridimensional numerical simulations are carried out, using the programa Star-Cd with the modulus es-ice, in order to numerically characterize the fuel injection and the mixture formation in a 2-valve engine under designing step. The methodology consists of two steps, where the first one is to characterize only the injector, installed in an atmospheric chamber, and the results are experimentally validated. On the second step, the validated parameters and conditions for the injector are applied to a complete simulation of the target engine, for different injection conditions, along with the first boundary conditions acquired from experimental procedures. Thus it is possible to study and predict the behavior of important parameters of the fuel injection in the engine during its development step, which can result in improvements on the efficiency of the final product. The proposed methodology presented excellent results for the first step, in which the difference between the experimental and numerical results was only 0.2,%, considering, therefore, the spray characterization as validated. The results of the second step showed many behaviors of the mixture formation for the analyzed conditions, such as fuel loss, incomplete evaporations, poor mixtures, liquid fuel accumulation spots, among other problems that are usually hard to detect in physical experiments, which highlights the importance and relevance of numerical simulations. The models were also capable to well represent the eddy recirculation inside de cylinder and in regions of free shear flow at the valve openings, which makes possible to observe the correlation between parameters such as tumble and swirl during the intake and compression strokes. Considering the results reached in this study, it is possible to adjust some parameters of the design and update the boundary conditions, which makes possible to reach new and more efficient injection conditions, in order to get to more efficient combustions. The present study may be of great relevance for future studies regarding injection and mixture formation studies involving numerical simulations.
Subject: Motores de combustão interna
Álcool
Ar Escoamento
Engenharia mecânica
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-AAREDR
Issue Date: 9-Mar-2016
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