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http://hdl.handle.net/1843/RAOA-BB2LE8| Type: | Dissertação de Mestrado |
| Title: | Avaliação da sensibilidade de mecanismos cinéticos químicos reduzidos para queima de etanol/gasolina na predição do fenômeno da detonação em um motor de combustão interna por simulações CFD 3D |
| Authors: | Raphael Meireles Braga |
| First Advisor: | Rudolf Huebner |
| First Co-advisor: | Gustavo de Queiroz Hindi |
| First Referee: | Jose Guilherme Coelho Baeta |
| Second Referee: | Fabricio Jose Pacheco Pujatti |
| Abstract: | Com o aumento das restrições das emissões de gases poluentes provenientes da combustão de combustíveis fósseis, a tecnologia downsizing nos motores de combustão interna tem se tornado quase mandatória. Com os motores trabalhando em regimes de operação com elevadas relações volumétricas de compressão e elevadas cargas e temperaturas, o fenômeno da detonação se torna preocupante, uma vez que limita a eficiência e pode causar danos ao motor. As simulações computacionais se tornaram uma etapa imprescindível no desenvolvimento de novos conceitos de motores, uma vez que elas permitem um melhor entendimento dos fenômenos que ocorrem na câmara de combustão. Nesse intuito, o presente trabalho apresenta uma comparação de diferentes mecanismos cinético-químicos reduzidos para oxidação de misturas de gasolina e etanol quanto à sua capacidade de caracterizar o fenômeno da detonação em um motor monocilíndrico de pesquisa de ignição por centelha, visando aplicação no mercado nacional. Para isso, é apresentada uma metodologia para simulações tridimensionais do escoamento, injeção de combustível e combustão em motores de combustão interna de injeção direta de combustível. Dessa forma, uma validação do modelo de quebra secundária de gotas é feita através de simulações de injeções spray de combustível em câmara quiescente e sua validação no modelo 3D do motor operando com etanol é apresentada. Uma análise de sensibilidade dos resultados de combustão ao modelo de interação do spray com as paredes é feita, sendo que o modelo de ORourke apresentou resultados mais próximos dos experimentais. Com os modelos de spray caracterizados, três mecanismos de cinética química (um com 66, outro com 75 e outro com 115 espécies químicas) são comparados para a simulação de um caso com o motor operando a 3000 rpm, 6 bar de pressão média efetiva de eixo e combustível E10, tanto para a condição de avanço de ignição para máximo torque de eixo (MBT), quanto para uma condição de avanço para detonação forçada. Os três mecanismo cinético-químicos avaliados não se mostraram adequados para análise de detonação, uma vez que para os casos de MBT os mecanismos apresentaram indícios de detonação e para os casos de detonação forçada os índices de detonação foram cerca de vinte vezes os valores experimentais. Embora os mecanismos tenham mostrado uma reatividade elevada com o combustível E10, o mecanismo que mais se aproximou dos resultados experimentais foi o de 75 espécies. Ao ser utilizado em outro caso do motor com gasolina E22, esse mecanismo apresentou resultados muito mais coerentes com os dados experimentais, tanto para a condição de MBT quanto para a condição de detonação |
| Abstract: | With the increasing of pollutant emission restrictions by fossil fuel burning, the downsizing technology has become mandatory in modern internal combustion engines. However, keeping the engine operating at a high compression ratio, load and temperatures comes together with knocking issues. The computational fluid dynamics is a powerful tool that allows a better understanding of the phenomena that take place in the combustion chamber and it is an essential phase in the engine development process. In this context, the present dissertation presents a comparison of the capacity to characterize the knock phenomenon in a single cylinder spark ignition engine with different reduced chemical kinetics mechanisms for ethanol-gasoline blends oxidation. Therefore, a methodology for 3D numerical simulation of direct injection internal combustion engine is presented. Thus, a calibration and validation of KH-RT break up model constant is made by means of quiescent spray vessel simulations. In addition, the sensibility of combustion results in relation of the wall liquid film formation model is assessed for gasoline E27 as fuel and three models are used: ORourke, Bai-Gosman and Kuhnke. With the validated spray models, three chemical kinetic models (66, 75 and 115 species) are evaluated in an engine simulation with the engine velocity of 3000 rpm, 6 bar of break mean effective pressure and E10 as fuel both for maximum brake torque (MBT) spark time and for knock border spark timing condition. Knock indexes are calculated for each mechanism and compared with experimental values and the results show that none of the mechanism was able to correctly characterize knock in the engine, since maximum amplitude of pressure oscillations were roughly ten times the experimental value. Moreover, for the MBT case (non-knocking condition) the mechanisms predicted a slight trace of knock, which is not seen in the experimental test. At last the 75 species model is implemented in an engine case with a different fuel blend (gasoline E22) and presented much more satisfactory results |
| Subject: | Motores de combustão interna Engenharia mecânica Dinâmica dos fluidos |
| language: | Português |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/RAOA-BB2LE8 |
| Issue Date: | 31-Jul-2018 |
| Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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