12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA

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1 12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Guayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015 OTIMIZAÇÃO DO INÍCIO DA COMBUSTÃO EM UM MOTOR DO CICLO OTTO A ETANOL ATRAVÉS DE SIMULAÇÃO NUMÉRICA 3D COM A CORRELAÇÃO DE WIEBE Raphael Braga* a, Caio Ramos* b, Leonardo Reis* c, Leonardo Fonseca* d, Ramon Molina Valle* e *Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos, 6627 Pampulha Belo Horizonte MG Brasil a raphaelmeirelesb@gmail.com, b caiolagesramos@gmail.com, c leo1mayer@gmail.com, d leofonseca@ufmg.br e ramon@ufmg.br RESUMO Neste trabalho é apresentada uma análise numérica da otimização do ponto de início da combustão em um motor ciclo Otto. A geometria utilizada nas simulações foi o volume interno do cabeçote de um cilindro mais os dutos de admissão e exaustão. As simulações numéricas 3D foram desenvolvidas no programa STAR-CD com módulo ES-ICE. O combustível considerado foi o Etanol (E100), para a turbulência foi utilizado o modelo RNG k-ɛ e para a combustão foi considerado a correlação de Wiebe. São analisadas quatro rotações do motor:,,, rpm. O início da combustão estudado em cinco diferentes instantes: 0, 5, 10, 15, 20 antes do ponto morto superior do pistão em cada rotação do motor. Para a otimização do início da combustão foram considerados os seguintes parâmetros globais: pressão média efetiva, trabalho por ciclo e potência. Foram gerados gráficos dessas grandezas em função do ângulo de início da combustão e realizados ajustes polinomiais e encontrado o ponto de melhor performance do ciclo. Para todas as rotações foi observado que o ponto ótimo se encontra próximo de 14 de avanço de início da combustão. PALAVRAS CHAVE: Simulação numérica, Motor de combustão interna, Star-CD, Wiebe, Etanol.

2 INTRODUÇÃO Modelos numéricos para simulação de motores de combustão interna são amplamente utilizados na academia para estudos avançados sobre diversos assuntos, desde a composição do combustível até o dimensionamento de componentes do motor. Também são utilizados na indústria para a concepção e otimização de motores de combustão interna. Esses modelos resolvem o escoamento, a química e os processos térmicos de forma dinâmica em 3 dimensões e são conhecidos por fornecer resultados em todo o domínio e também pelos recursos computacionais e tempo de simulação exigidos. A lei de Wiebe é amplamente utilizado para motores devido a sua relação simplicidade e precisão com os resultados experimentais. Há muitos autores na literatura que utilizam a equação de Wiebe para a modelagem da combustão [1-5]. A maioria dos trabalhos na literatura que utilizam Wiebe utilizam gasolina ou metano como combustível em suas analises, outros modelos usam o diesel com a ignição por compressão. Entretanto existem poucos trabalhos de modelagem de combustão em motores de combustão interna utilizando a equação de Wiebe. Este artigo apresenta o uso da modelagem 3D de um motor de combustão interna utilizando etanol. Lei de Wiebe O uso de funções matemáticas continuas constitue uma técnica rapida e efetiva para a predição da velocidade de queima e performance em motores de combustão interna. Essas funções geralmente são derivadas da distribuição normal de uma variável aleatória contínua, e a mais conhecida destre estas é a Lei de Wiebe [6]. Ivan Wiebe desenvolveu seu modelo de combustão analítico, mundialmente conhecido como lei de Wiebe, no começo da década de 50 na época em que cientistas da união soviética tentavam desenvolver modelos de combustão preditivos, que poderiam permitir a sintese mais realista do ciclo do motor [6]. A lei de Wiebe relaciona a fração queimada de combustível e os três principais parâmetros de combustão: o instante onde a liberação de calor se torna positiva ; o valor do ângulo de manivela instantâneo ; e a duração da combustão [5]. = 1 exp (1) Onde é o fator de eficiência e é o fator de forma. De acordo com [5], o modelo é extremamente dependente dos valores destes dois fatores descritos, e uma série de autores apresenta valores diversos destes coeficientes para casos específicos. O valor mais comum para o fator é 5, enquanto o valor do fator varia de 1 até 4,5. METODOLOGIA NUMÉRICA O motor estudado nesse trabalho possui três cilindros com um volume de 1.0 L. Entretanto, para reduzir custos computacionais, o domínio computacional utilizado nas simulações foi composto apenas do volume interno da câmara de combustão e o volume deslocado de apenas um cilindro mais o volume interno dos dutos de admissão e de exaustão, conformo é mostrado na Figura 1:a.

3 a) b) Fig. 1: a)geometria utilizada b)malha base no ponto morto inferior. A geração de malha foi feita utilizando o módulo Es-ICE ( expert system for internal combustion engine) do Star-CD, no qual a movimentação das válvulas e do pistão é levada em consideração através da adição e remoção de camadas de células [9]. Foi feito um teste de independência de malha, na qual quatro malhas foram avaliadas partindo de uma malha base padrão (Figura 1:b). O teste é realizado para duas rotações: e rpm, por serem a menor e a maior velocidade de rotação do motor respectivamente e para um instante de início da combustão. Por se tratar de uma malha móvel, o seja, o número de células varia de acordo com o tempo, foi escolhido o ponto morto inferior, o qual é o instante de maior número de células na malha como parâmetro de análise da mesma. O critério de refinamento de malha foi um acrécimo de 30% do número de células da malha anterior. Como variáveis de análise foram escolhidas a pressão média efetiva, a potência e o trabalho indicado do motor. A Tabela 1 resume as malhas simuladas. Tabela 1: Malhas utilizadas no teste de independência de malha. Nome da malha Número de células no PMI Fator de refinamento M ,293 M ,306 M ,301 M O software utilizado para as simulações foi o Star-CD. O passo de tempo utilizado nas simulações foi de 0,05 do ângulo do virabrequim e a tolerância residual admitida foi de 10. A duração da combustão em todas simulações foi de 40º e os parâmetros A e N da correlaçãos de Wiebe utilizados foram de 5 e 1, respectivamente. A condição de mistura utilizada foi de pré-mixtura, com fator lambda de 1, o combustível utilizado foi o etanol (E100) e a fração de gás residual no cilindro de 4%. Foram escolhidas quatro rotações para as análises:,, e rpm. As condições de contorno foram obtidas com base em uma simulação unidimensional completa do motor e são pressão e temperatura do ar na entrada e na saída dos dutos de admissão e exaustão respectivamente. As condições de contorno para cada rotação são mostradas na Tabela 2. Por se tratar de um motor turbo-alimentado, as pressões nodoto de admissão são maiores que a pressão atmosférica.

4 Rotação [rpm] Tabela 2: Condições de contorno das simulações para as quatro rotações analisadas. Pressão na admissão [bar] Pressão na exaustão [bar] Temperatura na admissão [K] Temperatura na exaustão [K] 2,08 1,98 318, ,64 2,19 2,61 328, ,04 2,19 2,98 329, ,41 1,56 2,92 337, ,68 O ângulo de início da combustão, para cada rotação foi variado de cinco em cinco graus começando do ponto morto superior até um máximo de vinte graus antes do ponto morto superior (5, 10, 15 e 20 graus APMS). Os gráficos de pressão média efetiva indicada, trabalho indicado por ciclo, potência e pressão máxima no cilindro em função do ângulo do eixo do motor foram obtidos e comparados para as rotações e os 4 pontos de início da combustão. RESULTADOS O resultado do teste de malha mostrou que os parâmetros globais do motor não variam significativamente com a malha. Com base na Tabela 3 é possivel notar que a variação dos resultados de uma malha para a outra é menor que 1% em todos os pares de malha. Dessa forma a malha escolhida para realizar as simulações foi a malha M2, com aproximadamente células no ponto morto inferior. Tabela 3: Grandezas avaliadas no teste de independência de malha para as rotações de e rpm Malha Trabalho [W] rpm Potência [kw] IMEP [kpa] M1 0,4099-0,3% 20,50-0,3% 1232,24-0,3% M2 0,4088 0,1% 20,44 0,1% 1228,71 0,1% M3 0,4093 0,2% 20,46 0,2% 1229,95 0,2% M4 0, , ,87 rpm Malha Trabalho [W] Potência [kw] IMEP [kpa] M1 0,6399 0,1% 7,99 0,1% 1923,42 0,1% M2 0,6408-0,7% 8,01-0,7% 1925,63-0,8% M3 0,6360-0,2% 7,95-0,2% 1911,04-0,2% M4 0,6346 7, ,76 Os resultados apresentados na Figura 2 a) mostram que a pressão máxima apresenta um comportamento proporcional ao avanço de ignição, sendo que quanto maior o avanço de ignição maior a pressão máxima apresentada. Este resultado era esperado tendo em vista que o modelo Wiebe não apresenta previsibilidade da detonação. Na Figura 2 b), a curva representativa de rpm apresenta um trabalho indicado inferior as outras rotações que pode ser explicado pela menor eficiência volumétrica, como pode ser visto pela massa no cilindro ilustrada com o gráfico da Figura 4 e também na Tabela 4, que mostra os valores de eficiência volumétrica para as rotações analisadas. Os rendimentos volumétricos são maiores que 100% por ser um motor sobre-alimentado.

5 Pressão máxima [bar] ,70 0,65 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 a) b) Fig. 2: a)pressão máxima no cilindro em função do ângulo de inico da combustão b) Trabalho indicado em função do ângulo de inico da combustão. Trabalho indicado [kj] Início da combustão [ ] Fig1. Comparação do pico de pressão 25 Potência [kw] Fig3. Comparação da potência 5 0 Fig2. Comparação do trabalho indicado por ciclo 22 IMEP [bar] a) b) Fig. 3: a)potência indicada no cilindro em função do ângulo de inico da combustão b) IMEP em função do ângulo de inico da combustão. Massa [kg] 8,0E-09 7,0E-09 6,0E-09 5,0E-09 4,0E-09 3,0E-09 2,0E-09 1,0E-09 0,0E Ângulo do virabrequim [ ] Fig. 4: Massa de ar admitida em função do ângulo do virabrequim.

6 Tabela 4: Determinação da eficiência volumétrica para cada rotação na condição de ângulo ótimo de início da combustão das simulações. Rotação [rpm] Massa no cilindro [kg] Eficiência Volumétrica 6,40E % 6,89E % 6,91E % 5,04E % IMEP [bar] 20,50 19,50 18,50 17,50 16,50 15,50 14,50 13,50 12,50 11,50 [ rpm] y = x x R² = 1 Fig. 5: Aproximação da pressão média efetiva por um polinômio de 2º grau. [ rpm] y = x x R² = [ rpm] y = x x R² = [ rpm] y = x x R² = Polinómica () Polinómica () Polinómica () Polinómica () Pela análise dos gráficos é possível observar que a faixa de rotação de trabalho ótima se encontra entre rpm e rpm tendo em vista os maiores valores de pressão média efetiva indicada nestas rotações. A pressão média efetiva por sua vez apresenta um comportamento que pode ser aproximado por um polinômio de 2 grau, assim como apresentado na Figura 5. Com isso, ao derivar-se a equação e igualar a zero, é possível definir um ponto de início da combustão em que a pressão média efetiva indicada é máxima. Assim a Tabela 5 apresenta o ângulo ótimo obtido pelo polinômio o que leva a conclusão de que para as simulações realizadas o ângulo ótimo é o de aproximadamente 14 graus para as menores rotações e de 15º para a rotação de rpm. Tabela 5: Determinação do ângulo ótimo de início da combustão para cada rotação. Rotação [rpm] Ângulo Ótimo obtido pelo polinômio[ ] 13,78 13,83 13,96 15,13

7 CONCLUSÃO Com base no teste de independênca de malha foi possível concluir que os parámetros globais do motor são muito pouco influênciados pelo numéro de células do dominio e que uma malha com aproximadamente células é suficiente para ese tipo de análise. Um estudo de otimização do início da combustão utilizando uma metodología numérica é apresentado. Resultados da pressão máxima, trabalho indicado, potencia e IMEP são analizados para algumas rotações de interesse, para uma série de valores de avanço do início de combustão. Além destes, são apresentados resultados para a massa dentro do cilindro e eficiência volumétrica em função da rotação. Com base nos resultados apresentados, o avanço do início de combustão ótimo está próximo de 14 para todas as rotações, enquanto a rotação de maior trabalho indicado está entre e rpm. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Petrobras e à Fiat Chrysler, pelos investimentos finaceiros no Centro de Tecnologia da Mobilidade, sem os quais este trabalho não seria possível. REFERENCIAS 1. Klein, M., A specific heat ratio model and compression ratio estimation, Linkoping University, Thesis No. 1104, Linkoping, Yeliana, Y., Cooney, C., Worm, J., Michalek, D. e Naber, J., Wiebe function parameter determination for mass fraction burn calculation in an ethanol-gasoline fuelled SI engine, Journal of KONES Powertrain and Transports, vol. 15, no. 3, pp , Galindo, J., Climent, H., Pla, B. e Jimenez, V.D., Correlations for Wiebe function parameters for combustion simulation in two-stroke engines, Applied Thermal Engineering, vol. 31, pp , Yeliana, Y., Cooney, C., Worm, J., Michalek, D. e Naber, J., Estimation of double-wiebe function parameters using least square method for burn durations of ethanol-gasoline blends in spark ignition engine over variable compression ratios and EGR levels. 5. Abbaszadehmosayebi, G. e Ganippa, L., Characterizing Wiebe equation for heat release analysis based on combustion burn factor ( ), Fuel, vol. 119, pp , Ghojel, J.I., Review of the development and applications of the Wiebe function: a tribute to the contribution of Ivan Wiebe to engine research, International Journal of Engien Research, vol. 11, pp , Fonseca, L., Caracterização do Escoamento de Ar em um Motor de Combustão Interna utilizando Mecânica dos Fluidos Computacional, Dissertação de Mestrado, Universidade Federal de Minas Gerais, CD-adapco, STAR-CD Version 4.20 Methodology For Internal Combustion Engine Applications CDadapco, CD-ADAPCO, STAR-CD Version 4.20: Methodology For Internal Combustion Engine Applications, CD-adapco, 2013 A. UNIDADES Y NOMENCLATURA Fração de massa queimada (adimensional) Fator de eficiência (adimensional) Valor do ângulo de manivela instantâneo ( ) Ângulo do início da combusão ( ) Duração da queima ( ) IMEP Fator de forma (adimensional) Pressão média efetiva indicada (bar)