UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE UM MODELO SIMPLIFICADO DE UM MOTOR À COMBUSTÃO INTERNA A GÁS NATURAL Dssertação submetda à UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA para a obtenção do grau de MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA DALTON BERTOLDI Floranópols, Novembro de 2007.

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3 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE UM MODELO SIMPLIFICADO DE UM MOTOR À COMBUSTÃO INTERNA A GÁS NATURAL DALTON BERTOLDI Esta dssertação fo julgada adequada para a obtenção do título de MESTRE EM ENGENHARIA ESPECIALIDADE ENGENHARIA MECÂNICA Área de Concentração de Engenhara e Cêncas Térmcas sendo aprovada em sua forma fnal. Prof. César José Deschamps, Ph.D. Orentador Prof. Amr Antôno Martns Olvera Jr., Ph.D. Co-orentador Prof. Fernando Cabral, Ph.D. Coordenador do Curso BANCA EXAMINADORA Prof. Antóno Fábo Carvalho da Slva, Dr. Eng. Presdente Prof. Guenther Carlos Kreger Flho, Dr.-Ing. Prof. José Rcardo Sodré, Ph.D.

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5 Aos meus pas, Máro e Solange, às mnhas rmãs, Bruna e Letíca, e à mnha namorada, Francele.

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7 AGRADECIMENTOS A CAPES, pelo apoo fnancero ao trabalho; Ao POLO Laboratóros de Pesqusa em Refrgeração e Termofísca, pelos equpamentos e nstalações; Aos professores César José Deschamps e Amr Antôno Martns Olvera Jr., pela orentação e dedcação, sem as quas este trabalho não obtera êxto; Aos membros da Banca Examnadora, pela dsposção em avalar este trabalho; Aos colegas Evandro Luz Lange Perera e Leonel Rncón Cancno pelos conhecmentos transmtdos ao longo da execução deste trabalho; Aos colegas do POLO, especalmente ao amgo Rodrgo Adrán Pzarro Recabarren, pela amzade, dscussões e conhecmentos compartlhados; Ao corpo docente do Programa de Pós Graduação em Engenhara Mecânca pelos conhecmentos transmtdos e esforço contnuado na busca do saber; A todas as pessoas que estveram comgo durante esta jornada, meu muto obrgado.

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9 SUMÁRIO LISTA DE SÍMBOLOS RESUMO ABSTRACT x xv xv CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO Motores a combustão nterna Cclo de operação Componentes Parâmetros de análse de desempenho Balanço de energa em um motor Gás natural Modelação numérca de motores de combustão nterna Objetvos do trabalho 12 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Introdução Fundamentos Teórcos de Motores a Combustão Interna Modelações Numércas Investgações Expermentas Enfoque do Trabalho 25 CAPÍTULO 3 MODELAGEM MATEMÁTICA DO PROBLEMA Introdução Geometra do problema Equações Governantes Modelação da Turbulênca Modelação do Escoamento Turbulento Méda de Favre Modelo RNG k-ε Tratamento de Parede Modelação da Combustão (Interação Cnétca Químca Turbulênca) Frente de Combustão 43

10 x Regmes de combustão turbulenta para reagentes pré-msturados Modelo EDC (Eddy Dsspaton Concept) Condções de Contorno Composção da Mstura 54 CAPÍTULO 4 METODOLOGIA DE SIMULAÇÃO NUMÉRICA Introdução Dscretzação Espacal e Temporal Funções de Interpolação Acoplamento Pressão-Velocdade Fronteras Móves Movmento do pstão Movmento das válvulas Metodologa de malhas (ou fronteras) móves Condções Incas Procedmentos de Solução 64 CAPÍTULO 5 RESULTADOS Introdução Análse para uma condção de operação típca Testes de refno de malha Análse dos aspectos geras e locas do funconamento do motor Varações cclo-a-cclo Avalação da nfluênca de parâmetros de operação do motor Efeto do ponto de gnção Efeto da temperatura de parede Efeto da composção da mstura ar/combustível 104 CONCLUSÕES GERAIS 109 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 113

11 LISTA DE SÍMBOLOS Símbolos Geras Símbolo Descrção Undade a Braço da manvela [m] A Área [m 2 ] A/C Razão mássca ar/combustível [admensonal] B Dâmetro do clndro [m] c p Calor específco a pressão constante [kj/kg.k] c v Calor específco a volume constante [kj/kg.k] D,m Coefcente de dfusão da espéce químca na mstura [m 2 /s] Da Número de Damköhler [admensonal] h Entalpa [kj/kg] h Entalpa da espéce químca [kj/kg] k Condutvdade térmca [W/m.K] k Energa cnétca turbulenta [m 2 /s 2 ] Ka Número de Karlovtz [admensonal] k eff Condutvdade térmca efetva [W/m.K] k t Condutvdade térmca turbulenta [W/m.K] l Comprmento da bela [m] l O Escala de comprmento das grandes escalas da turbulênca [m] l K Escala de comprmento das pequenas escalas da turbulênca [m] l L Escala de comprmento da chama lamnar [m] L Curso do pstão [m] M Massa molar da mstura [kg/kmol] m ar Massa de ar [kg] m comb Massa de combustível [kg] N Velocdade de rotação [rpm] p Pressão [bar] P Potênca [kw] PCI Poder calorífco nferor [kj/kg] Pe Número de Peclet [admensonal] p man Pressão manométrca [Pa]

12 Lsta de Símbolos x P mep Pressão méda efetva [kpa] Pr Número de Prandtl [admensonal] Pr t Número de Prandtl turbulento [admensonal] q Fluxo de calor [MW/m 2 ] r c Razão de compressão [admensonal] R Taxa de reação químca [kg/m 3.s] R Constante unversal dos gases [J/kmol.K] Re t Número de Reynolds turbulento [admensonal] Sc t Número de Schmdt turbulento [admensonal] sfc Consumo específco de combustível [g/kw.h] t Tempo [s] t O Escala de tempo das grandes escalas da turbulênca [s] t K Escala de tempo das pequenas escalas da turbulênca [s] t L Escala de tempo da chama lamnar [s] T Temperatura [K] T Torque [N.m] u Velocdade [m/s] u Componente da velocdade na dreção [m/s] u L Velocdade de chama lamnar plana [m/s] V Volume [m 3 ] V c Volume mínmo do clndro (volume morto) [m 3 ] V d Volume do clndro deslocado pelo pstão [m 3 ] V j Velocdade de dfusão do componente na dreção j [m/s] V t Volume total do clndro [m 3 ] W Trabalho [J] y Fração mássca [admensonal] y Fração mássca da espéce químca [admensonal] z Posção do pstão [m] Símbolos Gregos Símbolo Descrção Undade α Inverso do número de Prandtl turbulento [admensonal] γ Razão entre calores específcos (c p /c v ) [admensonal]

13 Lsta de Símbolos x δ j Operador delta de Kronecker [admensonal] ε Taxa de dsspação vscosa [m 2 /s 3 ] η t Efcênca de conversão do combustível [admensonal] η v Efcênca volumétrca [admensonal] θ Ângulo de manvela [graus] λ Relação de equvalênca [admensonal] μ Vscosdade molecular [Pa.s] μ eff Vscosdade efetva [Pa.s] μ t Vscosdade turbulenta [Pa.s] ν Vscosdade cnemátca [m 2 /s] ξ Fração volumétrca da escala de dsspação turbulenta [admensonal] ρ Massa específca da mstura [kg/m 3 ] ρ ar Massa específca do ar [kg/m 3 ] τ j Tensor tensão vscoso [Pa] φ Varável genérca qualquer

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15 RESUMO O gás natural é um dos combustíves presentes na matrz energétca braslera que possu o potencal de redução na agressão ao meo ambente, tanto na redução da emssão de poluentes gasosos (CO, NO x, SO 3, etc.) como na redução da emssão de CO 2 por quantdade de energa gerada. No entanto, o seu uso no setor automotvo, assm como o uso de outros combustíves alternatvos, depende do correto projeto ou adaptação/regulagem dos motores ao uso deste combustível. Na busca por ferramentas de engenhara que auxlem no projeto e no desenvolvmento de motores a combustão nterna que utlzem combustíves alternatvos, este trabalho objetva o desenvolvmento de um modelo computaconal bdmensonal para a smulação de um motor a combustão nterna naturalmente asprado, com admssão de combustível e ar pré-msturados e com gnção por centelha. O gás metano é utlzado como um modelo de gás natural. A atenção do trabalho é dreconada aos fenômenos físcos e químcos assocados à dnâmca do escoamento, à combustão e à transferênca de calor no nteror da câmara de combustão. Assm, o modelo para a smulação do problema em questão é obtdo a partr da formulação das equações que regem os dversos fenômenos físcos e químcos. Resultados são apresentados para dversas propredades do escoamento e da combustão, tas como a pressão e a temperatura no nteror da câmara de combustão, os fluxos de massa através dos sstemas de admssão e de exaustão, as taxas de combustão e de transferênca de calor nas paredes do motor, bem como os campos de velocdade e de temperatura. Analsa-se anda o efeto de parâmetros de operação do motor através das estmatvas de torque, efcênca volumétrca e de conversão do combustível, dentre outros. Os resultados são consstentes com os valores típcos observados em motores a combustão nterna.

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17 ABSTRACT The ncreasng nterest for less pollutng energy sources and the recent avalablty to the fnal user n the Brazlan market has motvated the use of natural gas as an alternatve fuel for nternal combuston engne vehcles. In the search for engneerng tools to mprove nternal combuston engnes desgn and optmzaton, the present work s focussed on the development of a two-dmensonal numercal model to smulate a spark-gnton engne fuelled by a mxture of ar and methane as a natural gas smplfcaton. Here, attenton s drected to physcal and chemcal phenomena assocated to the flud flow, combuston and heat transfer processes that take place nsde the cylnder. To ths extent, the problem s formulated through several conservaton and consttutve equatons, from whch the numercal model s then developed to predct the engne performance. Results are provded for some physcal proprertes, such as n-cylnder pressure and temperatures, mass flow rates at ntake and exhaust systems, combuston rate and heat transfer rate to cylnder walls, besdes velocty, turbulence ntensty and temperature felds. The effects of the engne operaton parameters on the engne performance are assessed through predctons of ndcated power, torque and specfc fuel consumpton as well as volumetrc and thermal effcences. The results were consstent wth avalable data for producton engnes and show the model s potental as a research and desgn tool.

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19 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1 Motores a combustão nterna Os motores a combustão nterna são máqunas térmcas nas quas a energa térmca lberada em uma reação químca (combustão) é transformada em trabalho mecânco (de exo) através de cclos de expansão e compressão do fludo de trabalho no nteror de uma câmara de combustão. O prmero motor a combustão nterna operante que se tem notíca fo desenvolvdo, aproxmadamente, na década de 1860, quando J. J. E. Lenor construu um motor de combustão nterna alternatvo utlzando uma mstura de gás de carvão como combustível, quemando com ar sob pressão atmosférca para produzr trabalho de exo. O motor, que operava sem a compressão precedendo a combustão, possuía uma potênca de 5 hp e uma efcênca próxma de 5 %. Em 1867, Ncolaus A. Otto e Eugen Langen desenvolveram um motor contendo um mecansmo que utlzava a força desenvolvda pelo pstão no movmento de expansão para auxlar o pstão no movmento de admssão, um precursor do sstema de exo de manvela com volante de nérca. O motor apresentou uma efcênca próxma dos 11 %. Alguns anos depos, Otto propôs um motor mas leve e compacto que operava segundo um cclo de quatro tempos (admssão, compressão, expansão e exaustão). O prmero protótpo deste motor funconou pela prmera vez no ano de 1876 e apresentou uma efcênca de cerca de 14 %. No entanto, em 1884 fo encontrada uma patente francesa de 1862, até então não publcada, de autora de Alphonse Beau de Rochas, onde eram apresentados quatro prncípos báscos necessáros ao projeto de um motor de quatro tempos, ndcando a anterordade deste trabalho ao desenvolvmento de Otto. Posterormente, dversos trabalhos foram desenvolvdos com o objetvo de aperfeçoar os concetos ntroduzdos por Beau de Rochas e Otto. Na década de 1880, Dugald Clerk e James Robson, na Inglaterra, e Karl Benz, na Alemanha, desenvolveram com sucesso o motor de dos tempos. Na Inglaterra, James Atknson projetou um motor de alta efcênca, mas com baxa durabldade, provando que a efcênca é uma função da razão de expansão, sendo, porém, a razão de compressão lmtada pela ocorrênca da detonação (knockng). Em 1892, o engenhero alemão Rudolf Desel apresentou a patente de um novo tpo de motor a combustão nterna que utlzava um sstema de njeção dreta na câmara de combustão para a almentação do combustível. Este motor permta o uso de altas razões de compressão sem o rsco de ocorrênca da detonação e, assm, apresentava quase o dobro da

20 Introdução 2 efcênca dos motores daquela época. Após Desel, o maor avanço concetual no projeto básco de motores a combustão nterna é atrbuído ao nventor alemão Felx Wankel, que projetou o motor rotatvo, testado pela prmera vez com sucesso no ano de Cclo de operação Em um motor a combustão nterna alternatvo o pstão realza movmentos retlíneos ascendentes e descendentes no nteror do clndro com o objetvo de receber ou transferr trabalho para o exo. A rotação contínua deste exo promove um movmento cíclco no pstão. Os pontos que lmtam o curso do pstão são conhecdos como ponto morto superor (PMS) e ponto morto nferor (PMI). No ponto morto superor, o volume do clndro é mínmo e é conhecdo como volume morto V c. Por outro lado, no ponto morto nferor o volume do clndro é máxmo, correspondendo ao volume total V t. A dferença entre o volume total e o volume morto é chamada de volume deslocado pelo pstão V d. A razão entre os volumes total e morto é conhecda como razão de compressão r c : r c V + V d c = (1.1) V c Uma parcela sgnfcatva dos motores a combustão nterna opera segundo um cclo de quatro tempos, no qual o motor produz trabalho a cada quatro cursos do pstão ou duas rotações da árvore de manvelas. Para um motor a combustão nterna operando segundo o cclo Otto, com almentação ndreta de combustível, os quatro tempos são assm descrtos: Prmero tempo (admssão): O pstão realza um movmento descendente, do ponto morto superor até o ponto morto nferor, admtndo a mstura ar/combustível por meo da válvula de admssão. Segundo tempo (compressão): O pstão realza um movmento ascendente, do ponto morto nferor até o ponto morto superor, fornecendo trabalho para a compressão da mstura ar/combustível. Pouco antes de atngr o ponto morto superor, a combustão é ncada com o auxílo de uma faísca crada pela vela de gnção. Tercero tempo (expansão): O pstão realza um movmento descendente, do ponto morto superor até o ponto morto nferor, recebendo trabalho da expansão dos gases em combustão.

21 Introdução 3 Quarto tempo (exaustão): O pstão realza um movmento ascendente, do ponto morto nferor até o ponto morto superor, realzando a exaustão dos gases quemados para a atmosfera por meo da válvula de exaustão. Os quatro tempos de operação do motor, descrtos acma, podem ser vsualzados na lustração da Fgura 1.1. Fgura 1.1 Quatro tempos de operação do motor. Adaptado de Heywood (1988). O cclo deal denomnado cclo Otto é lustrado, para um motor naturalmente asprado, pelo gráfco de pressão versus volume do clndro apresentado na Fgura 1.2. Este cclo apresenta trocas gasosas com o ambente externo além de processos de compressão, combustão e expansão. As etapas do cclo apresentado na Fgura 1.2 são as seguntes: Processo de 1 a 2: Compressão da mstura ar/combustível até o volume mínmo. Processo de 2 a 3: Combustão a volume constante da mstura ar/combustível ncada pela deposção de energa por uma fonte quente (faísca elétrca). Processo de 3 a 4: Expansão da mstura de produtos de combustão, normalmente tomados como os produtos em equlíbro, até o volume máxmo. Processo de 4 a 5: Equalzação de pressão com o sstema de exaustão (expansão com troca de massa com o exteror) devdo à abertura da válvula de exaustão. Processo de 5 a 6: Exaustão dos gases quemados em função do movmento ascendente do pstão (scavengng) termnando com o fechamento da válvula de exaustão.

22 Introdução 4 Processo de 6 a 7: Equalzação de pressão com o sstema de admssão (expansão com troca de massa com o exteror) após a abertura da válvula de admssão. Processo de 7 a 1: Admssão da mstura ar/combustível em função do movmento descendente do pstão. O cclo retorna ao estado 1 após o fechamento da válvula de admssão. Fgura 1.2 Dagrama de pressão versus volume do clndro para o cclo deal de quatro tempos a volume constante para um motor naturalmente asprado. Adaptado de Heywood (1988) Componentes Os componentes dos motores a combustão nterna podem ser classfcados em fxos ou móves. Os prncpas componentes fxos são o bloco do motor, o cabeçote, o cárter, os condutos do sstema de admssão e os condutos do sstema de exaustão. Os prncpas componentes móves são o pstão (êmbolo), a bela, a árvore de manvelas (vrabrequm), as válvulas de admssão e de exaustão e a árvore de comando de válvulas. O bloco do motor é a estrutura onde são usnados os clndros ou os furos para a colocação destes, onde encontram-se as galeras que servem como dutos de refrgeração e onde são nstalados os demas componentes fxos ou móves do motor. O cabeçote é uma espéce de tampa do clndro contra a qual o pstão comprme a mstura de gases nãoquemados e quemados. O cabeçote possu furos que servem à nstalação da vela de gnção e das válvulas de admssão e de exaustão. O cárter, nstalado na parte nferor do bloco, serve como um depósto para o oléo lubrfcante e como uma proteção para os componentes nferores do motor.

23 Introdução 5 O pstão, geralmente fabrcado em lga de alumíno, forma o fundo (móvel) da câmara de combustão e transmte a força de expansão dos gases quemados, va bela, para a ávore de manvelas. O sstema de anés forma um mancal de deslzamento sobre a superfíce do clndro, controla a espessura do flme de óleo lubrfcante, mantém o pstão centrado e sela a câmara de combustão. A árvore de manvelas (vrabrequm), nstalada na parte nferor do bloco, é o exo do motor propramente dto. O conjunto bela vrabrequm é o responsável pela transformação do movmento retlíneo do pstão em movmento rotatvo do vrabrequm. A árvore de comando de válvulas tem como objetvo controlar e defnr o perfl de abertura e fechamento das válvulas de admssão e de exaustão, respectvamente, nos tempos adequados de abertura e fechamento. A válvula de admssão permte a entrada da mstura ar/combustível no nteror do clndro, enquanto a válvula de exaustão permte a saída de gases quemados da combustão do nteror do clndro. O sstema de admssão, fabrcado em alumíno, ferro funddo ou plástco, e o sstema de exaustão, geralmente fabrcado em ferro funddo, servem como coletores para a admssão da mstura ar/combustível e para a exaustão dos gases quemados, respectvamente. Fazem anda parte do sstema de admssão a válvula borboleta, os njetores de combustível, o fltro de ar e alguns plenuns para controle dnâmco de pressão. Completam o sstema de exaustão conversores catalítcos de poluentes, slencador e duto de descarga. O estado do fludo em escoamento no sstema de admssão e exaustão é montorado contnuamente por sensores de temperatura, pressão e concentração de oxgêno (sonda lâmbda), permtndo o controle dnâmco do motor através da central eletrônca Parâmetros de análse de desempenho Os parâmetros globas de desempenho do motor vsam quantfcar o torque/potênca desenvolvdo, o consumo do motor e a emssão de poluentes. A segur são apresentados os parâmetros ndcados de desempenho do motor. O trabalho ndcado desenvolvdo pelo pstão W [J] é dado pela ntegral de p dv ao longo do cclo executado pelo motor, podendo ser expresso como W = pman dv (1.2) onde p man é a pressão manométrca méda no nteror do clndro. O torque ndcado T [N.m] para um motor de quatro tempos é dado por

24 Introdução 6 W T = (1.3) 720 A potênca ndcada P [W] para o motor de 4 tempos é defnda como W N P = (1.4) 120 onde N é a velocdade de rotação do motor em rotações por mnuto. A pressão méda efetva ndcada P mep [Pa] é defnda por W V P mep = (1.5) d onde V d é o volume do clndro deslocado pelo pstão. A pressão méda efetva é uma medda do trabalho desenvolvdo por volume deslocado e fornece uma medda da qualdade do projeto do motor quanto ao desenvolvmento de potênca. As efcêncas volumétrca η v e de conversão do combustível η f são defndas de acordo com as seguntes relações: m ar η v = (1.6) ρarvd W η f = (1.7) m PCI comb onde m ar e m comb são, respectvamente, as massas de ar e de combustível admtdas pelo clndro e PCI é o poder calorífco nferor do combustível. Neste trabalho, a massa específca do ar ρ ar, que serve como referênca no cálculo da efcênca volumétrca, é calculada para uma massa molar de ar de 28,84 kg/kmol, para uma temperatura de 298 K e para uma pressão absoluta de Pa. O poder calorífco nferor do combustível PCI, que serve como referênca no cálculo da efcênca de conversão do combustível, refere-se ao metano e tem valor gual a 50 MJ/kg.

25 Introdução 7 A efcênca volumétrca representa a capacdade de enchmento do clndro enquanto a efcênca de conversão do combustível representa a capacdade de conversão da energa térmca do combustível em trabalho líqudo pelo motor. Por fm, o consumo específco de combustível ndcado sfc [g/kwh]é representado por mcomb N sfc = (1.8) P O consumo específco fornece uma medda do consumo de combustível necessáro, na undade de tempo, para o desenvolvmento da potênca pelo motor. Este parâmetro é uma medda da qualdade do projeto do motor quanto ao consumo de combustível. 1.2 Balanço de energa em um motor O balanço de energa em um motor a combustão nterna pode ser exemplfcado atráves da Fgura 1.3. Energa químca correspondente à combustão ncompleta (1%) Energa mecânca (39%) Energa mecânca útl (35%) Energa mecânca gasta com atrto (4%) Energa térmca dos gases de exaustão (30%) Transferênca de calor dreta para o ambente (2%) Energa químca do combustível (100%) Calor transferdo através da superfíce da janela de exaustão (14%) Energa térmca (60%) Transferênca de calor (30%) Transferênca de calor para o fludo de refrgeração (28%) Calor transferdo através das paredes da câmara de combustão (14%) Clndro (7%) Pstão (3%) Cabeçote (4%) Fgura 1.3 Conversão de energa em motores a combustão nterna de 4 tempos com gnção por centelha (valores médos) (Heywood, 1988).

26 Introdução 8 Verfca-se na Fgura 1.3 que a maor parte da energa químca do combustível é transformada em energa térmca pelo motor. Metade desta energa térmca, cerca de 30%, é lberada através dos gases de exaustão, enquanto a outra metade desta energa é transferda para o ambente e para o fludo de refrgeração através do bloco e dos canas de refrgeração do motor, respectvamente. A outra grande parcela da energa químca do combustível é transformada em energa mecânca pelo motor. Do total de, aproxmadamente, 39% desta energa, 4% é gasta com o atrto dos componentes mecâncos do motor, enquanto 35% é transformada realmente em energa mecânca útl. Como este trabalho tem por objetvo modelar os processos nternos ao clndro, o modelo será capaz de captar a energa mecânca útl (35%), a energa térmca dos gases de exaustão (30%) e o calor transferdo através das paredes da câmara de combustão (14%) do motor, ou seja, cerca de 79% da energa químca total dsponblzada pelo combustível. 1.3 Gás natural O gás natural é defndo como uma mstura de hdrocarbonetos parafíncos leves contendo, predomnantemente, metano. Em menor proporção, possu compostos como etano, propano e outros hdrocarbonetos de maor peso molecular (podendo chegar a faxa de hdrocarbonetos com até doze moléculas de carbono, dependendo da sua orgem). O gás natural, como o própro nome ndca, é uma substânca gasosa nas condções ambente de temperatura e pressão, apresentando normalmente baxos teores de contamnantes tas como ntrogêno, dóxdo de carbono, água e compostos sulfurados, e também com raras ocorrêncas de gases nobres (hélo e argôno). A dversdade na composção do gás natural bruto pode ser verfcada através da Tabela 1.1, na qual é apresentada a composção do gás natural bruto encontrado em dferentes países. Da mesma forma como o petróleo, o gás natural pode ser encontrado em reservatóros subterrâneos (rochas porosas), tanto em terra quanto sob o mar. Quando é encontrado em um reservatóro junto ao petróleo, o gás natural é chamado de gás natural assocado. Quando o reservatóro contém pouca ou nenhuma quantdade de petróleo, o gás natural é dto não assocado. Para adqurr as característcas comercas desejadas, o gás natural bruto passa por um tratamento que retra as mpurezas e separa os hdrocarbonetos de maor peso molecular, passando então a ser chamado de gás natural comercal. A composção do gás natural comercal é varada e depende da composção do gás natural bruto, do mercado atenddo, do uso fnal e do produto gás que se deseja. Além dsto, este gás é especfcado segundo o seu

27 Introdução 9 teor de enxofre total, de gás sulfídrco, de gás carbônco e de gases nertes, o seu ponto de orvalho da água e dos hdrocarbonetos e o seu poder calorífco. Tabela 1.1 Composção do gás natural bruto em algumas regões produtoras em dferentes países. A densdade é avalada nas condções normas de temperatura e pressão (CNTP). Adaptado de Gasnet. O gás natural apresenta, à pressão atmosférca, uma temperatura de mudança de fase para o estado gasoso próxma a -161 C e uma massa específca méda gual a 0,74 kg/m 3. O gás natural é consderado um bom combustível para motores a combustão nterna em função do seu alto número de octanas (entre 120 e 130), quando comparado ao número de octanas da gasolna comercal (entre 83 e 93). Desta forma, para um motor a combustão nterna trabalhando com uma razão elevada de compressão exste um rsco menor de problemas com combustão anormal, tas como a detonação.

28 Introdução 10 O gás natural apresenta também uma alta temperatura de auto gnção (mstura estequométrca a pressão atmosférca) (540 C) em comparação à gasolna (257 C), o que dmnu o rsco de explosão em caso de vazamentos. Por fm, o gás natural apresenta baxa emssão de CO 2 por undade de energa térmca produzda, em comparação à combustão de outros hdrocarbonetos, conforme pode ser observado no gráfco da Fgura 1.4, na qual o gás natural é representado pelo metano (CH 4 ). Isto ocorre devdo à alta relação hdrogêno/carbono (gual a 4) presente no CH 4 que é a maor entre todos os hdrocarbonetos. Fgura 1.4 Massa de CO 2 lberado por massa de calor produzdo. Adaptado de Das et al. (2000). Por sua vez, o gás metano, maor consttunte em volume do gás natural, apresenta, à pressão atmosférca, uma temperatura de mudança de fase do estado líqudo para o estado gasoso próxma a -183 C e uma massa específca gual a 0,72 kg/m 3. O metano apresenta anda uma temperatura de auto gnção (mstura estequométrca a pressão atmosférca) gual a 600 C. Fnalmente, a utlzação do gás natural como combustível é reforçada pela dsponbldade de suas reservas mundas, como pode ser vsto através da Fgura 1.5. Verfca-se no mapa que as regões do Orente Médo e da Europa e Ex-Unão Sovétca respondem por cerca de 75% de todas as reservas mundas, enquanto que as Amércas Central e do Sul respondem por apenas 3,9% destas reservas. No Orente Médo, os países com as maores quantdades de reservas de gás natural provadas são o Catar e o Irã, com aproxmadamente 25,8 e 26,8 trlhões de m 3 de gás, respectvamente. Por sua vez, na Europa

29 Introdução 11 e Ex-Unão Sovétca, a Rússa é o país que mas se destaca, contando com reservas de gás natural da ordem 47,8 trlhões de m 3. No Brasl, as maores reservas estão concentradas nos estados do Ro de Janero e do Amazonas, que possuem aproxmadamente 47% e 17% das reservas provadas de gás natural do país, respectvamente. No entanto, o Brasl anda é um país que possu uma quantdade nexpressva de gás natural em reservas provadas, cerca de 310 blhões de m 3, frente às reservas mundas que aproxmam-se da ordem de 179,83 trlhões de m 3 de gás natural (ANP, 2006). Fgura 1.5 Reservas provadas de gás natural, segundo regões geográfcas, em 31/12/2005 (trlhões de m 3 ). Adaptado de ANP (2006). 1.4 Modelação numérca de motores de combustão nterna A modelação numérca de motores de combustão nterna tem por objetvo auxlar a engenhara de motores em dferentes níves de projeto. A modelação numérca pode ser útl de dversas formas: como ferramenta de análse para o completo entendmento dos processos envolvdos no motor, como precursora aos testes expermentas, na avalação de dferentes concepções de projeto ou fornecendo conhecmento para a proposção de novações. Também, encontra relevânca na engenhara de combustíves, fornecendo parâmetros para a comparação do desempenho de dferentes potencas componentes de msturas. A abordagem numérca pode ser dvdda, por sua natureza, em duas categoras: termodnâmca e fludo-dnâmca. A modelação termodnâmca pode ser executada, por

30 Introdução 12 exemplo, na ausênca de escoamento, porém, levando em conta as característcas da geometra do problema. A modelação fludo-dnâmca possu a habldade de modelar o escoamento de gases em geometras complexas. No entanto, pela maor complexdade lgada à modelação fludo-dnâmca, todas as característcas a ela lgadas, tas como: geometra, modelos e submodelos físcos, devem ser bem concebdos para que os resultados sejam compatíves com o fenômeno nvestgado. Os prncpas componentes de um modelo multdmensonal para motores de combustão nterna são: Modelos ou equações matemátcas para a descrção dos processos do escoamento, da combustão e da transferênca de calor, com especal atenção à modelação da turbulênca; Procedmentos de dscretzação para a transformação das equações dferencas do modelo matemátco em relações algébrcas para as varáves dscretas em uma malha computaconal; Algortmo de solução, para a resolução das equações algébrcas; Códgo computaconal para a representação do algortmo numérco em uma lnguagem computaconal. Neste trabalho, o códgo computaconal dsponblza os procedmentos para a dscretzação das equações, bem como o algortmo para a solução das mesmas. Mas detalhes sobre estes tens são dscutdos ao longo do trabalho. 1.5 Objetvos do trabalho O presente trabalho tem por objetvo analsar, através de uma metodologa de smulação numérca, os aspectos relaconados à dnâmca dos fludos, à transferênca de calor e à combustão de um motor a combustão nterna com gnção por centelha, naturalmente asprado, com njeção ndreta e operando com o combustível gás metano. Esta análse é realzada por meo da metodologa de volumes fntos, dsponblzada pelo códgo computaconal Fluent (Fluent, 2006). O emprego de um códgo comercal como ponto de partda permte que uma maor dedcação seja dreconada à análse do fenômeno físco. O trabalho dvde-se em cnco capítulos. O capítulo 2 apresenta uma revsão bblográfca dos trabalhos expermentas e numércos relaconados ao tema proposto nesta dssertação. O capítulo 3 apresenta a geometra do problema, as equações e os modelos matemátcos que descrevem os fenômenos físcos presentes no motor de combustão nterna, bem como as condções de operação empregadas na smulação. O capítulo 4 apresenta, por

31 Introdução 13 sua vez, as dscretzações espacal e temporal das equações governantes, as funções de nterpolação e o acoplamento pressão-velocdade aplcado na solução do sstema de equações algébrcas. No capítulo 4 dscute-se também o mecansmo de movmentação da geometra, além da metodologa de utlzação de fronteras móves e os procedmentos de solução para a smulação numérca. Por fm, o capítulo 5 apresenta os resultados e as dscussões de testes realzados para a valdação da solução numérca, bem como para a smulação de dferentes condções de operação do motor.

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33 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Introdução O presente capítulo tem como objetvo revsar a lteratura que abrange o tema desta dssertação. Para sso, são revsados trabalhos com enfoque nos fundamentos da mecânca dos fludos, combustão e transferênca de calor assocados a motores de combustão nterna, bem como trabalhos expermentas e/ou em smulações numércas para motores de combustão nterna a gás natural. 2.2 Fundamentos Teórcos de Motores a Combustão Interna O trabalho de Gosman (1988) apresenta uma vsão geral sobre a smulação numérca da dnâmca dos fludos na ndústra automoblístca no fnal da década de 80 e nos anos anterores. O artgo aborda as áreas de aplcação das técncas de CFD na ndústra automoblístca, dentre elas, a aerodnâmca da carrocera, a ventlação do compartmento de passageros, a refrgeração e a lubrfcação de város componentes, além da combustão e dos sstemas de admssão e exaustão do motor do veículo. Segundo Gosman (1988), para a smulação de sstemas de admssão e de exaustão as prncpas dfculdades estão relaconadas às complexas geometras e ao modelo de turbulênca a ser aplcado. Como o artgo data do ano de 1988, quando os recursos computaconas eram anda muto escassos, as dfculdades para as smulações estavam prncpalmente relaconadas ao tempo computaconal e a precsão dos resultados. Mesmo assm, resultados satsfatóros já eram encontrados para smulações envolvendo formulações bdmensonas. Exemplo dsso fo o estudo de Naser (1988), onde uma smulação de válvula de admssão obteve resultados compatíves com os dados expermentas dsponíves. Arcoumans et al. (1985) apresentam uma revsão em mecânca dos fludos para motores a combustão nterna. Os autores afrmam que a mecânca dos fludos em motores, tanto a gasolna quanto a desel, desempenha dos papés prncpas: o prmero é a preparação da mstura ar/combustível para a combustão e o segundo é o controle da combustão por meo da nteração entre as pequenas e as grandes escalas (turbulênca). O artgo analsa a nfluênca da mecânca dos fludos para o escoamento no nteror do clndro com base nos conhecmentos já exstentes, nos dados expermentas e nos cálculos computaconas. Os autores apresentam as característcas comuns ao escoamento no nteror do clndro, bem como os métodos de medção de suas propredades. Anda são relaconados os

34 Revsão Bblográfca 16 aspectos postvos e negatvos dos grupos báscos de smulação numérca (zero-dmensonal, undmensonal e mult-dmensonal). Segundo os autores, as lmtações dos modelos multdmensonas estão lgadas ao refnamento requerdo para a malha computaconal, ao estágo de desenvolvmento dos modelos de turbulênca e ao custo computaconal, tanto de processamento como de armazenamento de dados. Naturalmente, a lmtação devdo ao custo computaconal tem sdo reduzda drastcamente ao longo do tempo, à medda que novas gerações de computadores são desenvolvdos. Da mesma forma, as lmtações dos modelos de turbulênca são atualmente menores, devdo ao surgmento de novas propostas e ao avanço dos recursos computaconas, o que permte que modelos mas elaborados sejam adotados na análse de escoamentos geometrcamente complexos. Heywood (1987) apresenta, segundo a lnha de Arcoumans et al. (1985), aspectos relaconados à dnâmca dos fludos no nteror de um motor de combustão nterna. O artgo aborda, prmeramente, aspectos relaconados aos cclos de operação dos motores de combustão nterna, bem como à natureza dos processos de gnção por compressão e centelha. São dscutdas também as característcas do escoamento através de válvulas de motores, de quatro e de dos tempos. Além dsto, é analsada a natureza do escoamento médo dentro do clndro e a nfluênca das válvulas na cração do swrl e na lavagem do clndro. O artgo aborda as característcas relatvas à turbulênca e apresenta anda os aspectos relaconados ao escoamento próxmo à parede do clndro, em função de sua mportânca na troca de calor entre a parede e a mstura quemada. Para um motor a gnção por centelha, Heywood (1987) afrma que movmentos que nduzam o aumento da turbulênca dentro do clndro como, por exemplo, o swrl, devem ser mas estudados em função do seu efeto no desenvolvmento de uma quema mas rápda e de uma maor área de chama. No entanto, níves de quantdade de movmento e turbulênca excessvos resultam em maor perda de calor para as paredes do clndro, podendo ocasonar a extnção localzada da quema por excesso de taxa de deformação da frente de chama. Heywood (1987) aponta que o estudo dos comportamentos do escoamento médo e da turbulênca no nteror do clndro, bem como o estudo da aplcação de modelos de dnâmca dos fludos computaconal são fundamentas para um melhor entendmento dos motores de combustão nterna. Em relação à dnâmca dos fludos computaconal, o autor cta como uma das prncpas dfculdades a obtenção de resultados de qualdade, vsto que, naquela época, a smulação numérca trdmensonal estava apenas começando e dados expermentas necessáros para a valdação dos modelos numércos eram escassos. Outro problema mportante para a modelação computaconal do fenômeno recaía na ncerteza orgnada pelo

35 Revsão Bblográfca 17 acoplamento entre os modelos de mecânca dos fludos e os processos relaconados à combustão. Westbrook et al. (2005) apresentam uma revsão dos últmos 50 anos sobre a análse computaconal da combustão. O artgo mostra a evolução da smulação numérca da combustão, juntamente com a evolução dos computadores e dos códgos de smulação em combustão, cnétca químca e dnâmca dos fludos, tas como KIVA, HCT e Chemkn. Segundo os autores, há a possbldade de modelação parcal ou total da combustão. A modelação parcal vsa a smulação de um processo específco, sem que exsta a necessdade de smular outros processos concomtantes. A modelação total tem como objetvo smular tantos processos quantos forem necessáros para o problema em questão. No entanto, para que sso seja possível computaconalmente, o grau de complexdade do problema deve ser reduzdo através de hpóteses smplfcatvas. Os autores ctam, como exemplo, a smulação da dnâmca dos fludos em um motor, em que são usadas smplfcações nos modelos de turbulênca e nos submodelos de cnétca químca. Além dsto, por vezes, não são usados submodelos para a radação e a geometra do problema é smplfcada para uma abordagem bdmensonal. 2.3 Modelações Numércas Carteller et al. (1994) desenvolveram um novo tpo de câmara de combustão para operar em um motor de combustão nterna movdo a gás natural. O trabalho objetva o projeto de um motor com menores índces de emssões de poluentes e com um desempenho semelhante ao de um motor de combustão nterna movdo a desel. O artgo descreve como a dnâmca dos fludos computaconal pôde ser utlzada no desenvolvmento de uma nova câmara de combustão. Desta forma, partndo de um pstão com topo escavado, os autores craram dos novos pstões com mas de uma reentrânca escavada no topo, chamados então de câmara TRI-FLOW. O motor utlzado para os testes expermental e numérco fo um motor desel de 9,6 ltros e 6 clndros, com uma razão de compressão de 12:1, convertdo para trabalhar com uma mstura pobre de gás natural. O códgo FIRE, adotado para a modelagem CFD do problema, resolve as equações da conservação da massa, da quantdade de movmento, da energa e do modelo de turbulênca k-ε. A combustão é modelada através de uma varável de progresso da reação que se basea em uma fração de mstura e em uma função probabldade densdade. A smulação não é realzada para os 720 de um cclo completo do motor, pos é ncada apenas em um ângulo de manvela gual a 220. O motor smulado operava a uma velocdade de rpm, com

36 Revsão Bblográfca 18 uma relação de equvalênca gual a 1,6. A smulação forneceu resultados para a velocdade méda e a energa cnétca turbulenta dentro do clndro, além da taxa de reação e do calor lberado pela combustão. Outros dados, mportantes para a análse da câmara de combustão, tas como a pressão dentro do clndro, a efcênca térmca e a pressão méda efetva foram obtdos anterormente por meo expermental. Por meo da smulação numérca e dos dados expermentas, Carteller et al. (1994) concluíram que a establdade da combustão, para o motor operando com uma mstura pobre, parece ser afetada dretamente pela velocdade do escoamento médo na regão da centelha, antes e depos da gnção. O crescmento ncal da chama, na regão da centelha, mostrou ser afetado pela velocdade do escoamento médo (quanto menor, melhor) e pela energa cnétca turbulenta (quanto maor, melhor). Por fm, os autores também concluíram que a taxa de lberação de calor no prncpal período da combustão é prncpalmente afetada pelo nível da energa cnétca turbulenta méda no clndro. Quanto maor a energa cnétca turbulenta méda no clndro, maor é o pco de calor lberado e menor é o tempo de duração da combustão. Zhang et al. (1998) nvestgaram os efetos do swrl, da geometra da câmara de combustão e da localzação da vela (centelha) sobre a taxa de quema e o desempenho geral de dos motores, de 2,2 e 4,3 ltros, operando com gás natural em uma relação de equvalênca gual a 0,7. A smulação fo conduzda com o auxílo de dos softwares: KIVA, para a smulação no nteror da câmara de combustão, e WAVE, para a smulação no restante do motor. O gás natural fo smplfcado como metano e o modelo de combustão utlzado ncluu os efetos da turbulênca e da taxa méda de reação. Os autores apresentaram resultados na forma de lberação cumulatva de calor pelo motor, fluxo de calor pelas paredes do clndro e energa cnétca turbulenta. A melhor posção encontrada para a vela de gnção fo a localzada na perfera do clndro. Apesar de haver um acréscmo no fluxo de calor pelas paredes do clndro, vsto que as mesmas são bem mas refrgeradas do que o cabeçote, comparado com as duas outras localzações smuladas, naquele local a quema se processa mas rapdamente. Zhang et al. (1998) encontraram uma dferença de apenas 1% entre o consumo específco do motor smulado em relação àquele ndcado por dados expermentas. Na avalação dos autores, os softwares KIVA e WAVE apresentaram-se como uma ferramenta confável para a smulação da combustão, dnâmca dos fludos e transferênca de calor para o motor, vsto que os resultados apresentaram boa concordânca com os dados expermentas. Thobos et al. (2003) realzaram um trabalho de modelagem numérca com o objetvo de analsar dferentes composções de gás natural, em comparação ao sooctano, utlzadas

37 Revsão Bblográfca 19 como combustíves em um motor de combustão nterna e gnção por centelha. O trabalho fo dvddo em duas partes: uma modelagem undmensonal (1-D) para a obtenção das velocdades de chama de cada um dos gases e uma modelagem bdmensonal (2-D), segundo uma geometra axssmétrca, para a obtenção de parâmetros de performance do motor. A modelagem levou em conta a geometra de um motor a gasolna de 1,75 ltros com duas razões de compressão, guas a 10,5:1 e a 12,5:1. A smulação fo realzada para uma velocdade de rpm, em uma carga méda, com avanço de gnção gual a 37 para o sooctano e gual a 58 para os dferentes tpos de gás natural, dentre eles um combustível contendo apenas metano em sua composção. Os dferentes combustíves utlzados na smulação obedeceram a uma relação de mstura ar/combustível estequométrca. A partr de dados para velocdades de chama lamnar obtdas com o auxílo da modelagem 1-D, va códgo PREMIX do pacote ChemKn, a modelagem 2-D fo então realzada com o códgo KIVAII-GSM. A smulação fo realzada em uma malha computaconal com aproxmadamente volumes para 120 de ângulo de manvela (60 antes do ponto morto superor até 60 depos do ponto morto superor). O modelo de combustão utlzado é uma extensão do modelo CFM (Coherent Flame Model) que predz a propagação da chama em um meo estratfcado. A gnção fo modelada como a deposção de uma frente de chama no momento em que o núcleo de gnção atnge um ponto crítco. Fnalmente, o acoplamento entre a chama e os efetos da turbulênca fo descrto pelo modelo ITNFS (Intermttent Turbulent Net Flame Stretch). Thobos et al. (2003) apresentam resultados para a pressão méda efetva, o consumo específco de combustível e a taxa de reação para cada combustível utlzado. Foram também apresentados resultados para a pressão méda efetva e para a taxa de reação em função da varação da ntensdade turbulenta ncal, da razão de compressão e da fração de gases de recrculação. Os resultados apontam que o motor movdo a metano apresenta um ganho de 20% no consumo específco de combustível (ou seja, uma redução do consumo específco de combustível), em contra-partda há uma perda de apenas 5% na pressão méda efetva, em comparação ao motor movdo a gasolna. Os autores atrbuíram este ganho no consumo específco à alta razão hdrogêno/carbono apresentada pelo gás metano (4) em comparação ao sooctano (2,25). Na varação da ntensdade turbulenta ncal, verfcou-se que a taxa de conversão de combustível aumenta com o aumento da ntensdade turbulenta para os quatro combustíves analsados. Porém, apesar do aumento que a ntensdade turbulenta ncal provoca na pressão méda efetva, a mesma rapdez da taxa de reação ocasona um efeto negatvo para trabalho realzado pelo motor, vsto que o tempo de gnção é mantdo constante. O mesmo comportamento é verfcado quando da mudança da razão de compressão

38 Revsão Bblográfca 20 do motor. Apesar do aumento da pressão méda efetva, em função do aumento da razão de compressão, a dmnução da taxa de conversão do combustível contrabalancea este efeto em função do tempo de gnção ser mantdo constante. Um exemplo atual da modelagem da dnâmca dos fludos computaconal de motores de combustão nterna é o trabalho desenvolvdo por Fyhr et al. (2004). Nesse trabalho, os autores smularam dos motores de combustão nterna: um motor desel supercarregado com um sstema turbna-compressor e um motor a gasolna naturalmente asprado, ambos de cnco clndros em lnha com um volume de 2,4 ltros. Partndo do fato de que um motor é smulado atualmente por meo de dos tpos de smulação, uma 1-D para o escoamento no motor e uma 3-D para cada componente do motor em separado, os autores se propuseram a smular numercamente em 3-D o motor desde o sstema de admssão (entrada de ar) até o o fnal do sstema de exaustão (escapamento). A geometra completa para o motor a gasolna, por exemplo, requereu uma malha trdmensonal com volumes. Partes do motor, tas como fltro de ar, catalsador e mufflers, foram tratados como meos porosos. Nenhum modelo de combustão fo ncluído, porém o efeto da combustão fo expresso na equação da energa por meo de uma curva de lberação de calor obtda expermentalmente. O fludo fo tomado como ar, assumdo como gás deal, e a turbulênca fo modelada pelo modelo k-ε. A smulação utlzou condções de contorno de fluxo de massa na entrada e de pressão na saída do sstema. As paredes do sstema de admssão e do catalsador foram consderadas adabátcas, enquanto as demas superfíces receberam uma condção de temperatura prescrta. A smulação utlzou esquemas de dscretzação espacal de 2ª ordem para as varáves prncpas e de 1ª ordem para os escalares. O algortmo PISO de 1ª ordem fo empregado para a uma economa dos recursos computaconas na solução do problema transente. Consderando que a convergênca fo alcançada entre 5 e 6 cclos de smulação e que cada cclo, com 3000 passos de tempo, demora cerca de 16 horas para ser concluído, a smulação completa consumu 4 das de processamento em um cluster de 8 PCs Pentum IV 3,06 GHz. A partr dos resultados numércos, Fyhr et al. (2004) observaram que a pressão máxma na câmara de combustão era de 10 a 20% superor à apresentada por um códgo undmensonal utlzado para efeto de valdação da análse. O valor da efcênca volumétrca também se mostrou 10% superor ao obtdo em smulações undmensonas. Segundo os autores, esta dscrepânca pode estar assocada à ncapacdade do modelo undmensonal de capturar os fenômenos físcos trdmensonas, tas como a queda de pressão nas válvulas de admssão e de exaustão, a nteração de ondas de pressão em restrções devdo ao catalsador e ao slencador (muffler), o posconamento da njeção de combustível e a forma como esta é

39 Revsão Bblográfca 21 tratada nos dos modelos, etc. Porém, os autores acredtam também que o modelo de turbulênca adotado na smulação trdmensonal afete a contablzação das perdas na regão da válvula, resultando em estmatvas que podem também dferr em relação a valores meddos. Fyhr et al. (2004) sugerem que este tpo de smulação em CFD srva como fonte de dados de entrada e condções de contorno para smulações de combustão, vsto que nas fases ncas de projeto de câmaras de combustão exste uma maor dfculdade para obtenção de dados relaconados às característcas de combustão do motor. Porém, os autores afrmam que o tempo gasto no pós-processamento para smulações em 3-D é muto elevado, tornando o trabalho tedoso e com grande nvestmento de tempo. Por fm, reconhecendo as vantagens da smulação numérca como uma ferramenta de auxílo de projeto, os autores sugerem que sejam desenvolvdos trabalhos para a dmnução dos tempos de smulação e de pósprocessamento, bem como o desenvolvmento de metodologas com malhas móves para o domíno da câmara de combustão. Tnaut et al. (2006) realzaram um estudo numérco com o objetvo de predzer a performance de um motor de combustão nterna movdo por gás pobre e por outros gases de baxo poder calorífco, geralmente obtdos de bomassa sólda. A predção da performance fo feta em dos níves. No prmero, uma estmatva da potênca do motor fo obtda através de um fator da qualdade do combustível (Engne Fuel Qualty), vsto que a composção do gás é conhecda. No segundo nível, com o auxílo de um modelo de combustão e outros dados relatvos a velocdade de combustão do gás, são obtdas nformações relatvas à performance do motor. Os autores fazem uso de um modelo quas-dmensonal de duas zonas de gases (quemada e não-quemada) para analsar os efetos na combustão (potênca mecânca, emssões de poluentes, etc.) de um motor operando em dferentes condções (composção do combustível, tempo de gnção, etc.). A smulação fo realzada em um motor de 1,6 ltros, quatro clndros, com uma razão de compressão de 9,6:1. A operação do motor fo representada por uma velocdade de rpm, com uma mstura ar/combustível estequométrca, com válvula borboleta completamente aberta (Wde Open Throttle WOT), com atraso de gnção para o máxmo torque (Maxmum Brake Torque MBT) e com o uso de dferentes combustíves (gás pobre, sooctano e metano). O gás pobre fo avalado segundo dferentes relações ar/combustível, enquanto os combustíves sooctano e metano foram avalados segundo a relação ar/combustível estequométrca, exceto para a pressão méda efetva, que fo apresentada para os três combustíves segundo dferentes relações ar/combustível. Resultados foram dsponblzados

40 Revsão Bblográfca 22 para a fração de massa quemada e para a pressão no nteror do clndro em função do ângulo de manvela, além da pressão méda efetva em função da razão ar/combustível. Os resultados ndcaram que a potênca de um motor operando com gás pobre é da ordem de 66% e com metano é da ordem de 85% da potênca do mesmo motor operando com gasolna. 2.4 Investgações Expermentas Johansson et al. (1995) e Olsson et al. (1995) avalaram o uso de dferentes câmaras de combustão em um motor, orgnalmente a desel, modfcado para operar com gás natural e gnção por centelha. Enquanto o prmero trabalho dscute aspectos relatvos à mecânca dos fludos e à combustão, o segundo prossegue com a dscussão sobre a combustão e aborda também o tema das emssões no uso das dferentes câmaras de combustão. Um motor de 1,6 ltros em lnha, com razão de compressão gual a 12:1, recebeu dez pstões de geometra dferentes, um de topo plano e outros nove escavados de dstntas formas, para operar em regmes de velocdade de 800, e rpm, empregando gás natural com dferentes razões ar/combustível. O motor fo nstrumentado com um sstema de velocmetra laser doppler (LDV), através de um acesso óptco à câmara de combustão, e com um transdutor de pressão. Dentre os resultados apresentados, destacam-se a taxa de lberação de calor (taxa de combustão), a velocdade méda do escoamento e os níves de turbulênca. Os autores concluram que o escoamento médo e os níves de turbulênca no clndro são muto afetados pelo tpo de pstão. Dos resultados também pôde-se afrmar que a taxa de lberação de calor, durante a maor parte da combustão (10-90% do calor lberado), tem uma forte correlação com a turbulênca méda, exceto para as msturas muto pobres. Já no período ntermedáro da combustão (0,5-10% do calor lberado), a taxa de combustão se correlacona fortemente com a velocdade do escoamento médo em uma dreção. Quando ambas a velocdade do escoamento médo e a turbulênca méda deste ntervalo são usadas como parâmetros de nterpretação para os resultados, é obtda uma forte correlação entre as duas varáves e a taxa de combustão. Porém, no níco da combustão (0-0,5% do calor lberado) não exste correlação entre a lberação de calor e o escoamento. Dentre os números tpos de pstão testados, o pstão de topo plano apresentou o maor tempo de duração da combustão, quase o dobro do tempo em relação aos demas tpos de pstão. No entanto, este tpo de pstão apresentou os menores níves de emssões assocados aos melhores níves de efcênca térmca. Embora não seja afrmado pelos autores, é provável que o aumento da turbulênca ocasonado pelas reentrâncas nos outros pstões tenha sdo responsável pela maor ocorrênca de extnção da chama em regões próxmas às paredes,