Modelagem e análise numérica da combustão de óleo vegetal in-natura em motores a combustão interna de ignição por compressão

Autor: Ortiz Sánchez, Yesid
Přispěvatelé: Universidade Federal de Santa Catarina, Oliveira, Amir Antônio Martins de, Cancino, Leonel Rincón
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2017
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFSC
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
instacron:UFSC
Popis: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2017. O funcionamento dos motores de ignição por compressão envolve vários fenômenos complexos, incluindo escoamentos turbulentos, transferência de calor e massa, injeção de combustível, atomização, evaporação, ignição e combustão. Esses fenômenos são caracterizados por uma grande variedade de escalas espaciais e temporais, desde as escalas de tempo rápidas da combustão até as escalas de tempo relativamente lentas do movimento do pistão, assim como tamanho de gotículas e vórtices turbulentos pequenos e distâncias de deslocamento do pistão. O uso de combustíveis alternativos nos motores atuais enfrenta as limitações impostas pelos atuais projetos de motores, que evoluíram ao longo dos anos e tornaram-se otimizados para o combustível diesel. Os óleos vegetais in natura (SVO) podem ser usados diretamente em motores de ignição por compressão, permitindo uma redução significativa nos custos e impactos do ciclo de vida relacionados ao processamento de combustível. No entanto, as grandes diferenças entre as propriedades termofísicas e termoquímicas dos SVO quando comparadas ao diesel exigem novos conhecimentos sobre a projeto e operação do motor, a fim de alcançar eficiência e operação confiável, a longo prazo. Uma das possibilidades de uso dos SVO é a mistura com combustível diesel e aquecimento antes da injeção. Este trabalho aborda as características da operação do motor com o SVO comparativamente àquelas da operação com óleo diesel. Para isso, foi realizada uma simulação de mecânica de fluidos multidimensional e dos fenômenos de transporte de um motor de ignição por compressão, de 4 tempos, monocilíndrico, aspirado naturalmente, injeção mecânica e taxa de compressão de 17,3, operando com óleo diesel puro (100d) e com uma mistura de 80% de óleo vegetal de soja in natura e 20 % de óleo diesel (80s20d). As equações de conservação para massa da mistura, massa de espécies, quantidade de movimento e energia, utilizando um modelo RANS para o escoamento turbulento, foram resolvidas no software CONVERGE, permitindo o movimento do pistão e válvula, admissão, compressão, injeção, atomização e combustão, nas velocidades do motor de 1800 e 2100 rpm. A análise foi dividida em três partes. A primeira explora a admissão e compressão de gás. A geometria do coletor de admissão e o movimento da válvula de admissão foram obtidos para o motor real. Foi utilizado o modelo de turbulência k-? de Renormalização do Grupo (RNG). Os resultados apresentam os campos de pressão, temperatura, velocidade, energia cinética turbulenta e taxa de dissipação de energia cinética turbulenta ao longo da admissão e compressão, com foco na determinação das condições de escoamento antes da injeção de combustível. Foram obtidos coeficientes de descarga globais de 0,51 e 0,55 para 1800 rpm e 2100 rpm, levando a eficiências volumétricas de 0,78 e 0,77 a 1800 rpm e 2100 rpm, respetivamente. Os resultados indicaram que a razão do swirl atingiu um valor máximo de 2,05 no ângulo de início da injeção, para ambas as velocidades do motor, como resultado do squish produzido pela forma do pistão. A razão de tumble, no entanto, atingiu seu valor máximo de 1,8 a 290º antes do TDC, 120º antes do fechamento da válvula de admissão, diminuindo para -0,2 no início da injeção. No início da injeção, a temperatura e pressão média de gás no cilindro são 961 K e 3,15 MPa a 1800 rpm e 969 K e 3,16 MPa a 2100 rpm. A temperatura e a pressão no cilindro foram comparadas com dados experimentais e com resultados de modelagem zero-dimensional, respectivamente apresentando boa concordância. Na segunda parte, foi feita a simulação usando modelos de injeção e atomização de combustível desde o início da injeção em 20º antes de TDC até 120º após TDC. O foco desta análise é comparar o spray da mistura (80s20d) com o combustível diesel puro (100d). O óleo diesel é modelado como n-dodecano (C12H26). As propriedades termofísicas do óleo diesel e da mistura foram medidas e correlacionadas com a temperatura. Usando as correlações, verifica-se que quando a mistura de combustível é aquecida a 85ºC antes da injeção, seu regime de quebra é um regime de atomização, similar ao óleo diesel conforme o diagrama de Ohnesorge. Um injetor com cinco orifícios foi modelado. A posição, comprimento e diâmetro dos orifícios foram medidos usando tomografia. Foi assumido um perfil de injeção de chapéu e a massa de combustível injetada por ciclo foi medida para cada combustível na velocidade do motor. A fase gasosa é modelada em uma estrutura euleriana e a fase líquida em uma estrutura lagrangiana. Foram utilizados o modelo de turbulência k-? RNG, a equação de estado de Redlich-Kwong para a fase gasosa, o algoritmo PISO para o acoplamento velocidade-pressão e um método multigríd. A quebra primária foi modelada com o modelo blob, quebra secundária com o modelo KH-RT, modelo O-Rourke para dispersão turbulenta, Frossling para vaporização de gotículas, Ranz-Marshal para transferência de calor e massa, o modelo de colisão NTC e um refinamento de malha adaptativa. Os resultados indicaram que a mistura 80s20d apresenta penetração de líquido 1,05 vezes maior do que o diesel, início da penetração de vapor 0,04 ms mais tarde e 1,23 vezes maior de SMD máximo e mínimo. Essas diferenças afetarão fortemente a formação da mistura e a ignição. Na terceira parte analisou a formação da mistura e a combustão. A simulação começa em 20º antes do TDC e termina em 360º, no fechamento da válvula de escape. O modelo de turbulência k-? RNG é usado para resolver quantidade de movimento, o calor e a transferência de massa, enquanto se utiliza um modelo reduzido de cinética química para n-dodecano com 106 espécies e 420 reações, resolvidas para cada célula no domínio computacional, para modelar as reações. O óleo de soja é modelado como uma fase líquida com menor pressão de saturação quando comparado ao combustível diesel. No entanto, uma vez em fase de vapor, é modelado como n-dodecano. O modelo estendido de Zeldovich é usado para prever a formação de NOx e o modelo de Hiroyasu é usado para prever a formação de fuligem. A pressão média no cilindro é comparada com as medições realizadas no mesmo motor e condições de operação. Os resultados indicaram desvios máximos na pressão máxima de 0,5% para o diesel e 1,0% para a mistura. A temperatura média no cilindro é comparada aos resultados de um modelo zero-dimensional. Enquanto a temperatura máxima permanece dentro de 1%, o modelo tridimensional completo prevê uma queda mais lenta da temperatura no curso de expansão. Em particular, o modelo permitiu verificar a posição e o tempo em que ocorre a ignição, bem como o desenvolvimento detalhado das fases pré-misturadas e não pré-misturadas. O atraso da ignição foi estimado como o tempo para atingir metade do aumento de temperatura total causado pela combustão no domínio computacional. Esta definição é comparada à derivada máxima na curva de fração molar média de OH no cilindro, obtida nas simulações e também ao ponto de inflexão da curva de pressão medida no motor operando nas mesmas condições. O tempo de atraso da ignição é aproximadamente 0,5º menor para a mistura. A razão para isso foi que a maior temperatura da mistura injetada fornece uma rápida evaporação e mistura da fração de óleo diesel, tanto por causa da maior pressão de vapor quanto pelo menor calor latente, levando a uma ignição mais rápida na região pré-misturada. A estrutura da chama revelou a molhagem extensa das paredes do pistão durante a fase final da combustão. A emissão de fuligem foi menor, mas o NOx foi maior para a mistura. Os valores integrados do ciclo indicaram um ganho de potência indicada de 1,6 % e um ganho de eficiência de conversão de combustível indicada de 2 % a menor velocidade e 3 % a maior velocidade. Em geral, a simulação numérica permitiu uma análise relativamente rápida e detalhada dos principais fenômenos que determinam a combustão de misturas de óleo de soja e óleo diesel em motores de ignição por compressão. O modelo pode ser usado como uma primeira avaliação de otimização no projeto e operação do motor. Abstract : The operation of compression ignition engines involves several complex flow and transport phenomena, including turbulent mass exchanges, fuel injection, atomization, evaporation, ignition, and combustion. These phenomena are characterized by a large range of spatial and time scales, from the fast combustion time scales, to the relatively slow piston motion time scales, and from the size of the smallest droplets and turbulent eddies, to the displacement length of the engine. The use of alternative fuels in current engines faces the limitations imposed by the current engine designs, which evolved along the years and became optimized to diesel fuel. Straight vegetable oils (SVO) can be used directly in compression ignition engines, allowing for a significant reduction in costs and life cycle impacts related to fuel processing. However, the large differences between the thermophysical and thermochemical properties of SVO when compared to diesel fuel requires new insights into the engine design and operation in order to achieve efficiency and reliable, long term, operation. One of the possibilities to the use of SVO is the blending with diesel fuel and heating prior to injection. This work addresses the characteristics of the engine operation with SVO comparativelly to those of the operation with diesel oil. For this, a multidimensional fluid mechanics and transport simulation of a 4-stroke, single cylinder, naturally aspired, mechanicaly injected, compression ignition engine, with a compression ratio of 17,3, operating with pure diesel oil (100d) and with a blend of 80% straight soybean oil and 20% diesel oil (80s20d) was performed. The conservation equations for mass of the mixture, mass of species, linear momentum, and energy, employing a RANS model for the turbulent flow, were solved in the software CONVERGE, allowing for piston and valve motion, intake, compression, injection, atomization, and combustion, in the engine speeds of 1800 and 2100 rpm. The analysis was divided in three parts. The first explores the gas intake and charge compression. The geometry of the intake runner and intake valve motion were obtained for the current engine. The Renormalization Group (RNG) k-? turbulent model was used. The results present the fields of pressure, temperature, velocity, turbulent kinetic energy and rate of dissipation of turbulent kinetic energy along admission and compression, with a focus to determine the flow conditions prior to fuel injection. Overall discharge coefficients of 0,51 and 0,55 were obtained for 1800 rpm and 2100 rpm, leading to volumetric efficiencies of 0,78 and 0,77 at 1800 rpm and 2100 rpm, respectively. The results indicated that the swirl ratio reached a maximum value of 2,05 at the angle of start of injection, for both engine speeds, as a result of squish produced by the piston bowl shape. The tumble ratio, however, achieved its maximum value of 1,8 at 290º before TDC, 120º before intake valve closing, drooping to -0,2 at start of injection. At start of injection, the cylinder averaged gas temperature and pressure are 961 K and 3,15 MPa at 1800 rpm and 969 K and 3,16 MPa at 2100 rpm. The temperature and pressure in the cylinder were compared to measurements in the engine reaching a good agreement. The second part, models fuel injection and atomization from start of injection at 20º before TDC to 120º after TDC. The focus of this analysis is to compare the spray evolved from the blend (80s20d) to the pure diesel fuel (100d). Diesel oil is modeled as n-dodecane (C12H26). The thermophysical properties of both the diesel oil and the blend were measured and correlated with temperature. Using the correlations, it is verified that when the fuel mixture is heated to 85 ºC prior to injection, the blend approaches the diesel fuel in the atomization regime in the Ohnesorge spray regime diagram. An injector with five orifices is modeled. The position, length and diameter of the orifices were measured using tomography. A top hat injection profile was assumed and the mass of fuel injected per cycle was measured for each fuel and engine speed. The gas phase is modeled in an eulerian frame of reference and the liquid phase in a lagrangian frame of reference. The RNG k-? turbulent model, the Redlich-Kwong equation of state for the gas phase, the PISO algorithm for the pressure-velocity coupling and a multigrid method were used. Primary break-up was modeled with the blob model, secondary break-up with the KH-RT model, O-Rourke model for turbulent dispersion, Frossling for droplet vaporization, Ranz-Marshal for heat and mass transfer, the NTC collision model and an adaptive mesh refinement. The results indicated that the 80s20d mixture presents liquid penetration 1,05 times longer than the diesel, start of vapor penetration 0,04 ms later, and 1,23 times larger maximum and minimum SMD. These differences will strongly affect mixture formation and ignition. The third part analyzed the mixture formation and combustion. The simulation starts at 20º before TDC and ends at 360º, at exhaust valve closing. The RNG k-? turbulent model is used to solve for momentum, heat and mass transfer, while a reduced chemical kinetics model for n-dodecane with 106 species and 420 reactions, solved for every cell in the computational domain, is used to model the reactions. The soybean oil is modeled as a liquid phase with a lower saturation pressure when compared to diesel fuel. However, once in vapor phase, it is modeled as n-dodecane. The extended Zeldovich model is used to predict the formation of NOx and Hiroyasu model is used to predict the formation of soot. The predicted average pressure in the cylinder is compared to measurements taken in the same engine and operation conditions. The results indicated maximum deviations in the maximum pressure of 0,5 % for the diesel fuel and 1,0 % for the mixture. The predicted average temperature in the cylinder is compared to the results of a zeroth-dimensional model. While the maximum temperature remains within 1%, the full three-dimensional model predicts a slower decay of temperature in the expansion stroke. In particular, the model allowed to verify the position and time where ignition occurs, as well as, the detailed development of the premixed and non-premixed phases. The ignition delay time was estimated as the time to reach half the total temperature increase caused by combustion. This definition compared well to the maximum derivative in the cylinder-averaged OH mole fraction curve, taken from the simulations, and also to the inflection point of the transient pressure curve measured for the engine operating at the same conditions. The ignition delay time is approximately 0,5º smaller for the mixture. The reason for this was that the higher temperature of the injected mixture provided a faster evaporation and mixing of the diesel oil fraction, both because of the higher vapor pressure and the lower latent heat, leading to a faster ignition in the premixed region. The flame structure revealed the extensive wetting of the piston walls during the late combustion phase. Soot emission was lower, but NOx was higher for the mixture. Cycle integrated values indicated a gain of indicated power of 1,6 % and a gain of indicated fuel conversion efficiency of 2 % at lower speed and 3 % at higher speed. Overall, the numerical simulation allowed for a relatively fast and detailed analysis of the main phenomena determining the combustion of straight soybean and diesel oil blends in compression ignition engines. The model can be further used as a first evaluation of optimization in engine design and operation.
Databáze: OpenAIRE
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