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http://hdl.handle.net/1843/BUOS-B8WG8G| Type: | Dissertação de Mestrado |
| Title: | Estudo da injeção de água e alteração da razão volumétrica de compressão para mitigação da detonação e melhoria do desempenho de um motor de combustão interna |
| Authors: | Deborah Domingos da Rocha |
| First Advisor: | Ramon Molina Valle |
| Abstract: | A simulação numérica de um motor de combustão interna é uma ferramenta importante no desenvolvimento de novas tecnologias de crescente inserção no mercado automobilístico e que buscam a melhoria do desempenho desses motores. Neste trabalho, a injeção de água e variação da razão volumétrica de compressão são analisadas numericamente no motor com a finalidade de mitigar a detonação e melhorar o desempenho. Inicialmente, condições experimentais de um motor com razão volumétrica de compressão igual a 15:1 operando com E27, rotação igual a 2000rpm e pressão média efetiva indicada (IMEP) de 6bar com ocorrência de detonação intensa foram reproduzidas numericamente por dinâmica dos fluidos computacional tridimensional utilizando o programa comercial STAR-CD. Essa simulação de referência foi validada com dados experimentais para que, posteriormente, fosse aplicada a tecnologia de injeção de água ou da alteração da razão volumétrica de compressão para investigar qual estratégia apresenta maior potencial para mitigação da detonação e melhoria dos parâmetros de desempenho na condição de operação estudada. Foram utilizadas frações mássicas de água correspondentes a aproximadamente 10%, 15%, 20% e 25% da massa total de combustível injetada, analisando-se as estratégias de injeção direta e indireta. Observouse a mitigação da detonação para todas as porcentagens de água injetada. Em seguida, foi realizado um estudo de alteração do avanço de ignição para que todas as simulações finais estivessem no limite de detonação inferior (LDI). A injeção direta de 20% de água no cilindro, além de mitigar a detonação e aumentar a resistência à mesma, proporcionou maior recuperação do avanço de ignição. Porém, concluiu-se que a injeção de 10% de água, apesar da menor recuperação do avanço de ignição, proporciona maiores benefícios em relação aos parâmetros de desempenho do motor, com redução do consumo específico de combustível de cerca de 3,50% e ganhos de 3,89% na potência indicada e de 0,84% no IMEP. Além disso, todas as simulações finais com injeção de água apresentaram os menores valores de temperaturas máximas no cilindro, mesmo para o caso final com injeção de 20% de água, no qual a pressão no cilindro foi a mais elevada após a recuperação do avanço de ignição. Concluiu-se também que a diminuição da razão volumétrica de compressão para 14:1 proporcionou aumento de potência indicada e IMEP de aproximadamente 0,53% em relação à simulação de referência no LDI |
| Abstract: | The numerical simulation of an internal combustion engine is an important tool for the development of new technologies constantly integrating the automotive sector to improve engine performance. In this work, water injection and volumetric compression ratio modification were implemented numerically to mitigate knock and promote a better engine performance. Initially, experimental conditions for an engine operating at 6bar, using E27, with a compression ratio of 15:1, and at a speed of 2000rpm, with knock occurrence detected, were reproduced numerically through 3D-CFD analysis using STAR-CD. This simulation was validated with experimental data and then water injection and compression ratio modification techniques were applied to investigate their potentials in reducing knock tendency and improving engine performance. Water injection was performed for 10%, 15%, 20%, and 25% water-fuel ratio mass fractions and it was made using direct injection and port water injection strategies to study the most favorable water injection condition. Then, a spark timing modification analysis was carried out to the final simulations in order to compare their performance at the same condition, which is the knock borderline. All water injection percentages resulted in a reduction of knock tendency and the direct injection strategy for 20% of water allowed a higher spark advance. Despite the lower spark advance increase provided by the 10% water direct injection, it eliminates knock occurrence and provides the best engine performance, since it leads to an indicated power increase correspondent to 3.89% and raised the IMEP approximately 0.84%, besides a fuel consumption reduction of 3.50%. Furthermore, all simulations with water injection and spark timing modification presented lower values for the maximum in-cylinder temperature, even for the simulation that showed the highest pressure, in which 20% of water was injected. The compression ratio modification to 14:1 allowed increasing IMEP and indicated power approximately 0.53% when compared to the original compression ratio at knock borderline |
| Subject: | Motores de combustão interna Detonação Engenharia mecânica |
| language: | Português |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/BUOS-B8WG8G |
| Issue Date: | 20-Jul-2018 |
| Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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