12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Guayaquil, 1 a 13 de Novembro de 215 Área Temática: Métodos Numéricos SIMULAÇÃO CFD TRANSIENTE EM UM MOTOR MONOCILINDRO DE PESQUISA COMPARAÇÃO DE DOIS MODELOS DE COMBUSTÃO João M.G. Vieira*,1, Robert F. Bento*,2, Leonardo G. Fonseca*,3, Rudolf Huebner*,4, Ramon Molina Valle*,5 *Centro de Tecnologia da Mobilidade Escola de Engenharia UFMG, Av. Pres. Antônio Carlos, 6627, Pampulha, Belo Horizonte/MG, Brasil 1 joaomarcosgv@gmail.com, 2 robertbentof@hotmail.com, 3 leofonseca@ufmg.br, 4 rudolf@ufmg.br, 5 ramon@demec.ufmg.br RESUMO Neste artigo são apresentados resultados de simulações numéricas tridimensionais transientes em um motor monocilindro de pesquisa, juntamente com resultados experimentais obtidos no referido motor. O cálculo computacional, que consiste em resolver as equações de conservação da massa, quantidade de movimento e energia acopladas a uma série de modelos, é realizado através de um programa comercial. Para o modelo de combustão, são escolhidos o modelo de Wiebe e o modelo ECFM-3Z, o primeiro por sua simplicidade e robustez, e o segundo por sua abrangência. Os resultados experimentais são obtidos no mesmo motor utilizando etanol injetado no pórtico, e o modelo numérico incorpora esta informação considerando mistura homogênea dentro do cilindro com fator lambda igual a 1 (mistura estequiométrica). Resultados do modelo ECFM-3Z apresentam boa correlação com os dados experimentais, apesar de consumirem muito tempo, e levarem ao aparecimento de autoignição a partir do segundo ciclo. Por sua vez, os resultados do modelo Wiebe para a pressão dentro do cilindro apresentam valores 3% maiores em relação aos resultados experimentais na região do pico de pressão, devido à ocorrência de queima de 3% da massa de combustível por chama difusiva durante o experimento. O empobrecimento da mistura no modelo numérico, para reduzir a massa de combustível queimada por pré mistura, reduziu a diferença do pico de pressão para menos de 1%. PALAVRAS CHAVE: Motor monocilindro de pesquisa, CFD, Wiebe, ECFM-3Z
INTRODUÇÃO O projeto de motores de combustão interna sempre foi relacionado a modelos usados para descrever a sua operação. Apesar disso, até a década de 7 foi o empericismo e não a teoría o principal responsável pelo desenvolvimento científico destes. Mas, recentemente, as ferramentas de modelagem têm se tornado praticamente indispensáveis. Hoje em dia os softwares são hábeis para simular e fornecer ao usuário algumas configurações ineficientes, reduzindo custos de experimentação posterior em protótipos. O desenvolvimento de ciências computacionais e de métodos de solução numéricos ao longo das últimas décadas permite que, quando um novo modelo de equações é criado para prever fenômenos físicos específicos, essas equações podem ser implementadas num software e testadas. Isso irá dizer se o modelo pode simular precisamente a realidade. Depois de uma primeira validação e melhoras graduais, no entanto, continua sendo um desafio adaptar todas as variáveis do modelo ao problema analisado. O mesmo fato é encontrado na análise tridimensional de um motor de combustão interna. Existe um grande interesse em simular um ciclo completo de trabalho do motor, extraindo parâmetros globais de performance e parâmetros de combustão que correspondam precisamente aos dados experimentais. Usando um código comercial de fluidodinâmica computacional, isso pode ser feito com diferentes modelos, cada um com seu próprio método, capacidades e resultados. Então, deve haver uma escolha, na qual entender os modelos na sua essência é necessário para comparar seus resultados. Um estudo ideal de simulaçao começa da escolha das ferramentas mais indicadas em termos de tempo e confiabilidade da resposta. Baseado nessas ideias, o objetivo do presente trabalho é validar diferentes modelos de combustão para a simulação de um motor de combustão interna, através da comparação entre seus resultados e dados de experimentação. Modelo de Wiebe A correlação de Wiebe é um modelo de duas zonas apresentado no começo da década de cinquenta que usa uma expressão semi-empírica baseada na teoria da cinética química das reações e das reações em cadeia. A formulação matemática simula a fração mássica de combustível queimado durante a combustão, e consequentemente calcula o aumento de pressão e a taxa de liberação de calor, uma vez que eles estão estritamente relacionados, como mostrado por Rasweiler and Withrow [4]. Esse modelo é provado útil para cargas premisturadas com razões ar combustível próximas à estequimétrica, mas existe uma carência de resultados comparando à adequação do modelo a motores funcionando à etanol. Wiebe é de importância especial para, de acordo com Ghojel [5], análise termodinâmica dos ciclos de motores e predição de emissões, estratégias de ignição, multicombustíveis, diagnóstico de desempenho e otimização. O software utilizado, STAR-CD, implementa o modelo de duas zonas em um domínio tridimensional, mas as zonas são independentes e não tem interação uma com a outra. O cálculo da massa de combustível queimado é apresentado na Equação 1. m = m 1 exp A (1) Nessa equação, m é a massa de combustível queimado, A é o fator de eficiência, N é o fator de forma, θ é o ângulo de manivela onde a combustão começa, e θ é a duração da combustão de % a 9%. Modelo ECFM-3z ECFM-3Z (Modelo de Chama Coerente Extendida Três Zonas) é um modelo de três zonas apresentado em 24 por Colin and Benkenida [6]. Ele veio como aprimoramento do anterior ECFM [9], dos mesmos autores, adicionando à simulação de premistura completa e parcial a capacidade de também simular combustão de nãomistura. Nesse sentido, ele é recomendado para motores onde mais de um modo de combustão pode ser encontrado, e pode simular motores diesel e gasolina. A explicação para isso está no fato de o modelo considerar chama difusiva, chama de propagação, e chama de autoignição, que são os três principais modos de combustão encontrados em dispositivos que trabalham com combustão. Para ICE o ECFM-3Z é capaz de simular várias condições, mesmo com multi-injeção e multi-ciclos. A estrutura matemática do modelo consiste de quatro componentes principais, de acordo com a metodologia do software [7].
Modelo de mistura, modelo de propagação de chama, modelo de pós-chama e emissões, e modelos de ignição por centelha e autoignição. A chama de propagação é modelada pela equação de densidade superficial de chama (FSD), usada em [6], e aprimorada ao longo dos anos [8]. Não apenas a superfície de chama mas o modelo de chama coerente como um todo foram adaptados, o que é referenciado de [9] a [13]. METODOLOGIA Domínio computacional O motor avaliado neste estudo é um motor monocilindro de pesquisa com acesso ótico cujas dimensões estão descritas na Tab. 1. A partir do desenho em formato CAD do motor, foi extraído o volume interno do cilindro e dos pórticos de admissão e exaustão deste motor, ilustrados na Fig. 1. O volume interno dos coletores de admissão e exaustão foi acrescentado ao volume da Fig. 1, para que as fronteiras de entrada e saída de massa estivessem localizadas nas mesmas posições que os sensores de pressão e temperatura utilizados para determinar as condições de contorno. Tabela 1: Dimensões do motor monocilindro de pesquisa utilizado. Modelo AVL 5496 Volume varrido 454.16 cm 3 Diâmetro do cilindro Curso Biela 82 mm 86 mm 144 mm Razão de compressão 9.3:1 Número de válvulas 4 Abertura da válvula de admissão Fechamento da válvula de exaustão Abertura da válvula de exaustão Fechamento da válvula de admissão Diâmetro da válvula de exaustão Diâmetro da válvula de admissão 143.4-1. mm lift 356. - 1. mm lift 357.8-1. mm lift -164.1-1. mm lift 28 mm 33.9 mm Admissão Geração da malha Figura 1: Geometria do volume interno do motor monocilindro de pesquisa utilizado. Exaustão O cálculo numérico de processos químicos, térmicos e fluidodinâmicos ocorrendo no cilindro do motor é realizado utilizando um programa de computador comercial, que possui um módulo específico para realizar a movimentação da malha. Este módulo tem como resultado um sistema composto por um banco de dados de malhas, capaz de gerar malhas para qualquer instante da análise a partir da interpolação entre as malhas padrão presentes no banco de dados. O efeito proporcionado é a geração de uma malha móvel capaz de simular com precisão o deslocamento do pistão e das válvulas. O procedimento para geração da malha móvel é engenhoso e pode ser encontrado em [7] e também em [3]. A malha no ponto morto inferior do motor analisado é ilustrada na Fig. 2.
Figura 2 Malha do motor de interesse no ponto morto inferior. Modelo matemático O fluido de trabalho utilizado é a mistura ar combustível formada a montante do domínio computacional. Para uma mistura contendo N espécies, as equações que governam o problema são as equações de transporte para a conservação da massa (Eq. 1), quantidade de movimento (Eq. 2), energia (Eq. 3) e espécies químicas (Eq. 4). O modelo de turbulência utilizado é o RNG k-, escolhido pelo sua boa relação entre a qualidade dos resultados e o custo computacional. ρ +div(ρu )= (1) ( ) +div(ρuu ) = + ( ) + (2) ( ) +div(ρvu ) = + ( ) + (2) ( ) +div(ρwu ) = + ( ) + (2) ( h) +div(ρhu ) = + h + μ 1 + 1 h + Φ + (3) Condições de contorno ( ) +div(ρyu ) = ( Y ) + (4) As condições de contorno nas fronteiras de entrada e saída de massa para todas as equações são a pressão e a temperatura, sendo as demais grandezas das fronteiras calculadas por equilíbrio a partir das condições de deslocamento do pistão e das válvulas. Na entrada e saída de massa dos coletores a temperatura é constante, sendo que na admissão ela foi definida como 32,15 K e na exaustão, por sua vez, 788 K. Por sua vez a pressão nas fronteiras é função do tempo, e neste caso é definida como uma função do ângulo do virabrequim, a partir das curvas apresentadas na Fig. 3.
Pressão (bar) 1,2 1,,8,6,4 Exaustão,2 Admissão, 18 36 54 72 Ângulo do virabrequim ( ) Figura 3 Condição de contorno de pressão aplicada às fronteiras de entrada e saída de massa. Em todas as fronteiras de parede, é aplicada a condição de não deslizamento para a equação de conservação da quantidade de movimento, e fluxo zero para as equações de conservação da massa e das espécies químicas. Para a equação da energia, é aplicada condição de temperatura prescrita no cilindro, pistão, cabeçote, e ambos os pórticos, e o valor de temperatura definido como 333 K. Esta temperatura é garantida pelo sistema de resfrigeração do motor monocilindro. As paredes dos coletores, por sua vez, são configuradas como adiabáticas de acordo com recomendações do desenvolvedor do programa. Independência de malha Um estudo de independência de malha foi desenvolvido em um trabalho anterior (Fonseca et al, 214) para o mesmo motor em condição de escoamento a frio. Com base neste estudo e em outros trabalhos executados, optouse por utilizar uma malha que possui aproximadamente 1,1 milhão de células no ponto morto inferior, desconsiderando as células dos coletores de admissão e exaustão. Modelos de combustão Foram utilizados os modelos de combustão apresentados na seção 1 deste trabalho, que são o modelo de Wiebe e o modelo ECFM-3Z. Os parâmetros utilizados para o modelo Wiebe são apresentados na Tab. 2. Tabela 2 Parâmetros da Lei de Wiebe utilizados neste trabalho. A 5 n 1 Inicio de queima 7 Duração de Queima 5 Apesar de seu extenso equacionamento, o modelo ECFM-3Z possui apenas dois parâmetros de ajuste direto, que são os parâmetros e, sendo que neste estudo ambos foram utilizados com valor igual a 1. Dados experimentais O presente trabalho foi feito com objetivo de comparar os resultados numéricos obtidos a partir dos dois modelos de combustão com os resultados de uma série de experimentos conduzidos em um motor monocilindro de pesquisa com acesso ótico operando com etanol injetado no pórtico. As condições de contorno apresentadas no gráfico da Fig. 3 foram obtidas nesta série de experimentos, dos quais também foi extraída a temperatura prescrita nas paredes que possuem esta condição de contorno. Nesta mesma série de experimentos foram obtidos resultados para a pressão dentro do cilindro, taxa de liberação de calor e fração de massa queimada. Estes resultados são usados para fins de comparação com os resultados dos modelos numéricos. O motor foi utilizado operando a 2 rpm e com 14% de carga.
RESULTADOS E DISCUSSÃO Resultados para o modelo ECFM-3Z Resultados para a pressão no interior do cilindro utilizando metodologia numérica e experimental são apresentados na Fig. 4. Resultados numéricos foram obtidos utilizando o modelo de combustão ECFM-3Z para vários ciclos, mas somente o primeiro é apresentado. A comparação entre os resultados numéricos e experimentais mostram poucas diferenças durante o período da combustão, entre 36 e 5. O pico de pressão dos resultados experimentais é de 14,2 bar e ocorre em 384o, enquanto para o modelo numérico, o pico de pressão é de 13,8 bar e ocorre em 392. O valor do pico de pressão é semelhante ainda que haja um certo atraso de fase, presente em todo ciclo de expansão também. 15 12 ECFM-3Z Experiment Pressure [bar] 9 6 3 18 36 54 72 Crank Angle Degree [CAD] Figura 4: Pressão dentro do cilindro para o modelo Wiebe. Para este modelo, a análise da variável de progresso de reação mostra que antes do ponto morto superior toda a massa de combustível admitida já foi queimada, o que indica que o modelo prevê que a mistura ar combustível deve ter sofrido auto-ignição. Esta predição é completamente discrepante com relação aos resultados experimentais, foi então necessário aplicar algumas mudanças no modelo 3D utilizando o ECFM-3Z à fim de evitar a predição errônea da autoignição. Resultados para o modelo Wiebe A Figura 4 mostra a comparação da pressão no cilindro obtida pelo experimento e pelo modelo de Wiebe. Em contraste à Figura 2, o modelo de Wiebe apresenta resultados menos defasados no tempo mas um pico de pressão muito maior de 17,6 bar em 38 CAD. Pressão (bar) 2 15 Wiebe Experimento 1 5 18 36 54 72 Ângulo de manivela (graus) Figura 5: Pressão dentro do cilindro para o modelo Wiebe.
Não apenas o pico de pressão são diferentes, mas na abertura da válvula de exaustão a pressão no cilindro é muito maior para o experimento que para a simulação. Então não apenas o pico mas também a derivada é maior nos resultados numéricos comparados aos experimentais. A Figura 5 mostra a comparação dos resultados de temperatura no cilindro utilizando Lei de Wiebe e experimento. A diferença mais significativa ocorre entre 36 e 45 CAD, enquanto durante todo o tempo de exaustão a temperatura experimental se mantém em altos valores em torno de 15 K. Para o mesmo período resultados numéricos saltam de 175 K para 9 K com a abertura da válvula de exaustão. Nesse caso, resultados numéricos apresentam melhor comportamento de acordo com o que é esperado de um motor de combustão interna, que é o decaimento da temperatura durante o tempo de expansão. A temperatura indica que, apesar da ação de alguns efeitos para reduzí-la, como o aumento do volume e a transferência de calos para as paredes, altas temperaturas continuam ocorrendo. Temperatura(K) 2.5 2. Experimento Wiebe 1.5 1. 5 18 36 54 72 Ângulo de manivela (graus) Figura 6: Temperatura dentro do cilindro para o modelo Wiebe. Os resultados experimentais de temperatura no cilindro sugerem que a liberação aparente de calor deveria ser avaliada até o fim do ciclo, ou pelo menos alguns graus a mais do que o comum. A Figura 6 mostra que o calor aparente liberado derivado da pressão no cilindro. O pico no experimento é menor que o obtido numericamente e ocorre depois, e a derivada da liberação de calor experimental é menor. Além disso, o experimento mostra uma liberação de calor característica de queima por chama difusiva em torno de 395 CAD, enquanto a Lei de Wiebe não leva em conta esse fenômeno. MBF (%) 1 9 8 7 6 5 Experimento 4 3 Wiebe 2 1 35 38 41 44 47 Ângulo de manivela (graus) Figura 7: Fração de massa queimada, comparação entre Wiebe e experimento. A chama difusiva não era esperada para o motor nessas condições de operação, uma vez que o PFI deveria melhorar a evaporação do combustível e formação da mistura. Era esperado que a mistura fosse formada dentro do pórtico
e então entraria no cilindro homogênea e perfeitamente difundida no meio. Os resultados experimentais claramente mostram que houve chama difusiva, o que significa que uma quantidade de combustível não foi misturada e então está queimando lentamente durante o tempo de expansão. Uma possível explicação para isso é a formação de filme líquido nas paredes de vidro do motor ótico, que queimaria durante a exaustão de parte dos gases queimada. A partir dos resultados na Figura 6 é calculado que 3% da massa de combustível total é queimada por chama difusiva, e os outros 7% por chama de propagação. A Figura 7 mostra a fração de massa queimada no experimento apenas até 47 CAD mas a queima levou quase 18 CAD para ocorrer completamente. Os resultados numéricos da Lei de Wiebe foram apenas até 7 % de queima, uma vez que consideram apenas a queima de premistura. AHR (J/deg) 25 2 15 Experimento Wiebe Figura 8: Taxa de liberação de calor, comparação entre Wiebe e experimento. A partir dos resultados mostrados, é possível notar que o modelo computacional requer que seja configurado um atraso de ignição manualmente por meio de um atraso no tempo de centelha. Para conseguir o melhor resultado no presente momento foi necessário encontrar a curva que mais se pareceu com a fração de massa queimada Resultados iniciais mostraram, como esperado, que os modelos computacionais requerem que o atraso de ignição seja setado manualmente atravéz do atraso do parámetro que governa o momento de centelha. Para atingir melhores resultados até o presente momento, foi também necessário encontrar o melhor ajuste das curvas experimentais de fração de massa queimada e da curva obtida pela equação de Wiebe, resultando nos melhores valores do fator de forma(n) e do fator de eficiencia (A). Ainda que esta metodología tenha apresentado resultados cada vez melhores, uma barreira teórica foi encontrada debido ao diagnóstico da ocorrência do comportamento difusivo da chama no experimento, fato que não é bem descrito utilizando o modelo de Wiebe. Devido à limitações técnicas, uma abordagem prática é proposta ao uso do modelo de Wiebe desconsiderando este fato. A estratégia tomada foi de truncar a massa total de combustível excluindo a massa queimada durante a fase difusiva da combustão. Isso foi feito aumentando o fator lambda nas configurações da prémistura admitida no cilindro. Os resultados apresentados aquí estão ainda sujeito à melhorias devido estágio de desenvolvimento desta metodología. Ao final, os resultados de saída esperados são um modelo computacional que prediga o comportamento do motor ótico de pesquisa para um vasto intervalo de pontos de operação com os quais os resultados poderão ser usados no planejamento de experimentos e validações de modelo, além de teste de parámetros e combustíveis. Sumarizando, o modelo está sendo ajustado para um único caso mas é esperado que atenda à todo intervalo de operação do motor. CONCLUSÕES 1 5 35 38 41 44 47 Ângulo de manivela (graus) Muitos modelos são utilizados para prever a influência dos processos de combustão nos ciclos do motores de combustão interna, e os modelos computacionais mais recentes são baseados em 3 zonas: uma contendo os gases queimados, uma contendo os gases não queimados e uma ultima responsável pela chama difusiva. Esses modelo são altamente demandantes computacionalmente, o que se torna algo indesejável, especialmente quando resultados razoáveis podem ser obtidos com modelos de abordagem consideravelmente mais simples, e consequentemente menos demandantes de tempo computacional.
REFERÊNCIAS 1. Heywood, J.B., Internal combustion engine fundamentals. New York: McGraw-Hill, 1988. 2. Versteeg, H.K. and Malalasekera, W., An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method, Second Edition, Pearson Prentice Hall, Harlow, 27. 3. Fonseca, 214. 4. Rassweiler, G.M. and Withrow, L., Motion pictures of engine flames correlated with pressure cards, SAE Technical Paper 8131, 1938. 5. 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 Engine Research 11. 6. Colin, O. and Benkenida, A., The 3-Zones Extended Coherent Flame Model (ECFM3Z) for Computing Premixed/Diffusion Combustion, Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP, Vol. 59 (24), No. 6, pp. 593-69. 7. STAR Methodology for Internal Combustion Engine Applications Version 4.22, 214 8. Duclos, J.M., and Veynante, D., Comparison of Flamelet Models for Premixed Turbulent Combustion, Combustion and Flame, vol. 95, 11-117, 1993. 9. Colin, O., Benkenida, A. and Angelberger, C., A 3D Modeling of Mixing, Ignition and Combustion Phenomena in Highly Stratified Gasoline Engines, Oil & Gas Science and Technology, Rev. IFP, 58, 1, 47-62., 23. 1. Duclos, J.M. and Zolver, M., 3D Modeling of Intake, Injection and Combustion in a DI-SI Engine under Homogeneous and Stratified Operating Conditions, International Symposium COMODIA, 1998. 11. Candel, S., Veynante, D., Lacas, F., Maistret, E. et al., Coherent flame model: applications and recent extensions, in Advances in Combustion Modeling, in Series on Advances in Mathematics for Applied Sciences, pp. 19-64. World Scientific, Singapore, 199. 12. Darabiha, N., Giovangigli, V., Trouve, A., Candel et al., Coherent flame description of turbulent premixed ducted flames, in turbulent reactive flows. Lecture notes in engineering, pp. 591-637, 1987. 13. Maistret, E., Darabiha, E., Poinsot, T., Vevnante, D. et al., Recent developments in the coherent flamelet description of turbulent combustion, Numerical Combustion, Antibes, B. Larrouturou and A. Dervieux (Eds), pp. 98-114. Springer, Berlin, 1989. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à Petrobras S/A Vehicle Center of Research and Development, Fapemig, Vale S.A e Fiat Powertrain pelo suporte financeiro e estrutura dos laboratórios, que permitiram o desenvolvimento deste estudo no Centro de Tecnologia da Mobilidade UFMG. UNIDADES E NOMENCLATURA (1) CFD - Computational Fluid Dynamics (2) ICE - Internal Combustion Engines (3) AVL - Anstalt für Verbrennungskraftmaschinen List (Instituto para Motores de Combustão Interna) (4) ECFM-3Z - Extended Coherent Flame Model Three Zones (5) CAD - Crank Angle Degree (6) TDC - Top Dead Center (7) PFI - Port Fuel Injected (8) EGR - Exhaust Gas Recirculation