Análise numérica do desempenho e das emissões de poluentes em um motor monocilíndrico de pesquisa aplicando-se o sistema de pré-câmara passiva e operando com etanol hidratado
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Fernando Antonio Rodrigues Filho
Guenther Carlos Krieger Filho
Guenther Carlos Krieger Filho
Resumo
Os motores de combustão interna vêm sofrendo evoluções ao longo do tempo, buscando melhores eficiências associadas a menores índices de emissões de poluentes. Um dos caminhos para alcançar tais melhorias é através da aplicação de um sistema de pré-câmara de combustão, sendo que diversos parâmetros deste sistema devem ser ajustados visando sua maior otimização. Além disso, o uso de simulação numérica é fundamental para reduzir tempo e testes experimentais onerosos e, consequentemente, otimizar o desenvolvimento de um motor de combustão interna, sendo assim aplicada junto às técnicas experimentais de trabalho. Desta forma, simulações numéricas unidimensionais e tridimensionais de um motor monocilíndrico de pesquisa foram executadas com o auxílio dos programas GT-SUITE e CONVERGE, respectivamente, englobando diferentes faixas de operação deste motor e operando com mistura ar-combustível estequiométrica e etanol hidratado, biocombustível disponível em larga escala no Brasil por meio da produção a partir da canade-açúcar, o que possibilita a absorção do CO2 lançado pela combustão na atmosfera. As simulações numéricas abrangeram duas configurações do motor: a primeira relacionada ao modelo de ignição convencional por centelha e a segunda relacionada ao modelo de ignição com pré-câmara de combustão do tipo passiva e visando ignição por jatos turbulentos (TJI
- Turbulent Jet Ignition), sendo assim possível comparar os benefícios obtidos por esta última configuração em relação à primeira. Durante a metodologia numérica ainda foram realizadas etapas para a simulação de um banco de fluxo com o auxílio de CONVERGE,
bem como aquelas relacionadas aos testes de malha, de mecanismo cinético químico e de variação cíclica. Os resultados apontaram que, comparado ao sistema de ignição convencional, o sistema de pré-câmara de combustão estudado foi capaz de entregar tanto
uma taxa de combustão até 27,4% mais rápida, favorecendo desta forma o aumento da razão de compressão para extração de maiores eficiências térmica e de conversão de combustível, quanto uma redução de até 27,0% e 29,5% das emissões de monóxido de carbono e de óxidos de nitrogênio, respectivamente, sendo a otimização da geometria da pré-câmara fundamental para o alcance destas melhorias. Ainda nesta comparação, foi possível observar que as configurações com pré-câmara alcançaram eficiências térmica, de combustão e de conversão de combustível até 1,5%, 6,0% e 3,7% superiores, respectivamente.
Abstract
The internal combustion engines have been changing over time, aiming that they have
better efficiencies combined to lower pollutant emissions. One of the ways to achieve
these improvements is through the application of a pre-chamber ignition system, whose its
parameters must be adjusted aiming its better optimization. Besides, the use of numerical
simulation is essential to reduce time of costly experimental tests and consequently to
optimize the development of an internal combustion engine. In this way, unidimensinal and
tridimensional numerical simulations of a single-cylinder research engine were performed
with the support of the softwares GT-SUITE and CONVERGE, respectively, and they
included different operation conditions of this engine that operated with stoichiometric
air-fuel mixture and hydrated ethanol, biofuel available on a large scale in Brazil through
production using sugarcane, which allows the absorption of CO2 from the atmosphere
stand out. The numerical simulations encompassed two configurations of the engine:
the first related to the conventional ignition model using spark and the second related
to the model whose ignition is provided with the auxiliary of a passive pre-chamber
ignition system aiming the turbulent jet ignitions, allowing in this way to compare the
improvements obtained by the second configuration to the first one. Throughout this
numerical methodology were still performed steps to simulate a flux bench with the
support of CONVERGE as well those ones related to mesh, reaction mechanism and cycle
tests. The results demonstrated that, compared to the conventional ignition system, the
pre-chamber ignition system studied was able to deliver both a combustion rate up to
27.4% faster, thus favoring the increase in the compression ratio for obtaining of greater
thermal and fuel conversion efficiencies, as well as a reduction of up to 27.0% and 29.5% of
carbon monoxide and nitrogen oxides emissions, respectively, with the optimization of the
geometry of the pre-chamber being essential to achieve these improvements. Still in this
comparison, it was possible to observe that the configurations with pre-chamber reached
thermal, combustion and fuel conversion efficiencies up to 1.5%, 6.0% and 3.7% higher,
respectively.
Assunto
Motores de combustão interna, Poluentes, Dinâmica dos fluídos computacional
Palavras-chave
Motor de combustão interna, Motor monocilíndrico, Pré-câmara de combustão, Simulação numérica, CFD, TJI