Análise numérica e experimental da combustão de metano em motores de combustão interna alternativos

Abstract

Desde o seu surgimento o motor de combustão interna é a alternativa de fornecimento de potência mais utilizada no mundo em veículos de passeio e transporte de cargas. De fato, observa-se no dia-a-dia uma forte dependência da utilização de motores e, atualmente, os estudos visando o seu aumento de eficiência e a diminuição de emissões poluentes estão cada vez mais intensos. Com os grandes avanços ocorridos na disponibilização de computadores, existe uma tendência contínua para a utilização de técnicas computacionais auxiliando no projeto de motores. No entanto, o maior desafio é simular o escoamento altamente tridimensional, turbulento e transiente, com o uso de modelos de turbulência e combustão, que tenham bom compromisso com a física envolvida. Neste âmbito, o presente trabalho tem o objetivo de desenvolver uma validação de metodologias numérica e experimental, para avaliar o comportamento dinâmico e reativo do escoamento em motores de combustão interna. A simulação é aplicada a um motor Honda GX35, que possui vasto uso comercial em roçadeiras, motocicletas de baixo custo e, atualmente, em Veículos Autônomos Não Tripulados (VANT), dentre outros. A análise tem como base soluções numéricas pelo método dos volumes finitos, usando o programa comercial Star-cd/es-ice. Para resolver o escoamento turbulento o modelo adotado foi o k-ω SST, com aproximação para baixo Reynolds e tratamento de parede híbrido. O modelo de combustão ECFM-3Z foi empregado para resolver o escoamento reativo. O combustível utilizado foi metano em mistura estequiométrica. Os resultados numéricos são confrontados com resultados experimentais, com o objetivo de examinar o estado da arte dessas metodologias. Valores transientes de pressão no interior do cilindro, vazão mássica de ar, fração mássica queimada, em relação ao eixo de manivelas e os produtos da combustão são confrontados A presença de recirculações na admissão e no cilindro foram detectadas e discutidas. As evoluções da pressão interna no cilindro e da vazão mássica de ar resultantes da simulação numérica apresentaram um bom comportamento, quando confrontado com dados experimentais. Os resultados da fração mássica de combustível queimado revelam características importantes de funcionamento do motor.

Since its inception, the internal combustion engine is the alternative of delivering power most used worldwide in passenger vehicles and transportation. Indeed, it is observed in day-to-day a strong dependency on the use of engines, and currently studies aiming at its increased efficiency and reduced emissions are becoming more intense. With the great advances in the availability of computers, there is a continuing trend towards the use of computational techniques aiding in the engine designs. However, the main challenge is to simulate the highly three-dimensional, transient and turbulent flows with the turbulence and combustion models, which have good compromise with the involved physics. In this context, this work aims to develop a validation of numerical and experimental methods for evaluating the dynamic and reactive behavior of the flow in internal combustion engines. The simulation is applied to a Honda GX35 engine, which has commercial application in brushcutters, motorcycles of low cost, Unmanned Autonomous Vehicles (UAV), among others. The analysis is based on numerical solutions by the finite volume method, using the commercial software Star-CD / esice. To solve the turbulent flow the model adopted was the k-ω SST, in its Low Reynolds approach with hybrid treatment near the walls The ECFM-3Z combustion model was employed to solve the reactive flow. The fuel used was methane in the stoichiometric mixture. The numerical results are compared with experimental ones, in order to examine the state of art of these methodologies. Transient values of cylinder inside pressure, mass air flow, mass fraction of the fuel burned, in relation to the crankshaft angle and the combustion products are confronted The presence of recirculation in the intake duct and cylinder were detected and discussed. The evolutions of the internal cylinder pressure and mass flow rate of air showed a good behavior, when confronted with experimental data. The results of the burned mass fraction reveal important characteristics of engine operation.