12º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICAGuayaquil, 10 a 13 de Novembro de 2015

Área Temática: Métodos Numéricos

SIMULAÇÃO CFD TRANSIENTE EM UM MOTOR MONOCILINDRO DEPESQUISA – COMPARAÇÃO DE DOIS MODELOS DE COMBUSTÃO

João M.G. Vieira*,1, Robert F. Bento*,2, Leonardo G. Fonseca*,3, Rudolf Huebner*,4, Ramon MolinaValle*,5

*Centro de Tecnologia da Mobilidade – Escola de Engenharia – UFMG, Av. Pres. Antônio Carlos, 6627,Pampulha, Belo Horizonte/MG, Brasil

1joaomarcosgv@gmail.com, 2robertbentof@hotmail.com, 3leofonseca@ufmg.br, 4rudolf@ufmg.br,5ramon@demec.ufmg.br

RESUMO

Neste artigo são apresentados resultados de simulações numéricas tridimensionais transientes em um motormonocilindro de pesquisa, juntamente com resultados experimentais obtidos no referido motor. O cálculocomputacional, que consiste em resolver as equações de conservação da massa, quantidade de movimento e energiaacopladas 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 segundopor sua abrangência. Os resultados experimentais são obtidos no mesmo motor utilizando etanol injetado nopórtico, e o modelo numérico incorpora esta informação considerando mistura homogênea dentro do cilindro comfator lambda igual a 1 (mistura estequiométrica). Resultados do modelo ECFM-3Z apresentam boa correlação comos dados experimentais, apesar de consumirem muito tempo, e levarem ao aparecimento de autoignição a partirdo segundo ciclo. Por sua vez, os resultados do modelo Wiebe para a pressão dentro do cilindro apresentam valores30% maiores em relação aos resultados experimentais na região do pico de pressão, devido à ocorrência de queimade 30% da massa de combustível por chama difusiva durante o experimento. O empobrecimento da mistura nomodelo numérico, para reduzir a massa de combustível queimada por pré mistura, reduziu a diferença do pico depressão para menos de 10%.

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 suaoperação. Apesar disso, até a década de 70 foi o empericismo e não a teoría o principal responsável pelodesenvolvimento científico destes. Mas, recentemente, as ferramentas de modelagem têm se tornado praticamenteindispensáveis. Hoje em dia os softwares são hábeis para simular e fornecer ao usuário algumas configuraçõesineficientes, reduzindo custos de experimentação posterior em protótipos.O desenvolvimento de ciências computacionais e de métodos de solução numéricos ao longo das últimas décadaspermite que, quando um novo modelo de equações é criado para prever fenômenos físicos específicos, essasequações podem ser implementadas num software e testadas. Isso irá dizer se o modelo pode simular precisamentea realidade. Depois de uma primeira validação e melhoras graduais, no entanto, continua sendo um desafio adaptartodas as variáveis do modelo ao problema analisado.O mesmo fato é encontrado na análise tridimensional de um motor de combustão interna. Existe um grandeinteresse em simular um ciclo completo de trabalho do motor, extraindo parâmetros globais de performance eparâmetros de combustão que correspondam precisamente aos dados experimentais. Usando um código comercialde 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 seusresultados. Um estudo ideal de simulaçao começa da escolha das ferramentas mais indicadas em termos de tempoe confiabilidade da resposta.Baseado nessas ideias, o objetivo do presente trabalho é validar diferentes modelos de combustão para a simulaçãode 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 umaexpressão semi-empírica baseada na teoria da cinética química das reações e das reações em cadeia. A formulaçãomatemática simula a fração mássica de combustível queimado durante a combustão, e consequentemente calculao aumento de pressão e a taxa de liberação de calor, uma vez que eles estão estritamente relacionados, comomostrado por Rasweiler and Withrow [4]. Esse modelo é provado útil para cargas premisturadas com razões arcombustível próximas à estequimétrica, mas existe uma carência de resultados comparando à adequação do modeloa motores funcionando à etanol.Wiebe é de importância especial para, de acordo com Ghojel [5], análise termodinâmica dos ciclos de motores epredição 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 aszonas são independentes e não tem interação uma com a outra. O cálculo da massa de combustível queimado éapresentado 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 oângulo de manivela onde a combustão começa, e ∆θ é a duração da combustão de 0% a 90%.

Modelo ECFM-3z

ECFM-3Z (Modelo de Chama Coerente Extendida – Três Zonas) é um modelo de três zonas apresentado em 2004por 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 não-mistura. 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 chamadifusiva, chama de propagação, e chama de autoignição, que são os três principais modos de combustãoencontrados 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 estruturamatemática 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 porcentelha e autoignição.A chama de propagação é modelada pela equação de densidade superficial de chama (FSD), usada em [6], eaprimorada ao longo dos anos [8]. Não apenas a superfície de chama mas o modelo de chama coerente como umtodo 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 estãodescritas na Tab. 1. A partir do desenho em formato CAD do motor, foi extraído o volume interno do cilindro edos pórticos de admissão e exaustão deste motor, ilustrados na Fig. 1. O volume interno dos coletores de admissãoe exaustão foi acrescentado ao volume da Fig. 1, para que as fronteiras de entrada e saída de massa estivessemlocalizadas nas mesmas posições que os sensores de pressão e temperatura utilizados para determinar as condiçõesde contorno.

Tabela 1: Dimensões do motor monocilindro de pesquisa utilizado.Modelo AVL 5496

Volume varrido 454.16 cm3

Diâmetro do cilindro 82 mm

Curso 86 mm

Biela 144 mm

Razão de compressão 9.3:1

Número de válvulas 4

Abertura da válvula de admissão 143.4° - 1.0 mm lift

Fechamento da válvula de exaustão 356.0° - 1.0 mm lift

Abertura da válvula de exaustão 357.8° - 1.0 mm lift

Fechamento da válvula de admissão -164.1° - 1.0 mm lift

Diâmetro da válvula de exaustão 28 mm

Diâmetro da válvula de admissão 33.9 mm

Figura 1: Geometria do volume interno do motor monocilindro de pesquisa utilizado.

Geração da malha

O cálculo numérico de processos químicos, térmicos e fluidodinâmicos ocorrendo no cilindro do motor é realizadoutilizando um programa de computador comercial, que possui um módulo específico para realizar a movimentaçãoda malha. Este módulo tem como resultado um sistema composto por um banco de dados de malhas, capaz degerar malhas para qualquer instante da análise a partir da interpolação entre as malhas padrão presentes no bancode dados. O efeito proporcionado é a geração de uma malha móvel capaz de simular com precisão o deslocamentodo 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.

Admissão

Exaustão

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. Parauma mistura contendo N espécies, as equações que governam o problema são as equações de transporte para aconservação da massa (Eq. 1), quantidade de movimento (Eq. 2), energia (Eq. 3) e espécies químicas (Eq. 4). Omodelo de turbulência utilizado é o RNG k- , escolhido pelo sua boa relação entre a qualidade dos resultados e ocusto computacional.

∂ρ∂t

+div(ρu⃗)=0 (1)

∂( )∂t

+div(ρuu⃗) = − + ( ) + (2)

∂( )∂t

+div(ρvu⃗) = − + ( ) + (2)

∂( )∂t

+div(ρwu⃗) = − + ( ) + (2)

∂( ℎ)∂t

+div(ρhu⃗) = + h + μ 1 + 1 ℎ + Φ + (3)

∂( )∂t

+div(ρYu⃗) = ( Y ) + (4)

Condições de contorno

As condições de contorno nas fronteiras de entrada e saída de massa para todas as equações são a pressão e atemperatura, sendo as demais grandezas das fronteiras calculadas por equilíbrio a partir das condições dedeslocamento do pistão e das válvulas. Na entrada e saída de massa dos coletores a temperatura é constante, sendoque na admissão ela foi definida como 302,15 K e na exaustão, por sua vez, 788 K. Por sua vez a pressão nasfronteiras é função do tempo, e neste caso é definida como uma função do ângulo do virabrequim, a partir dascurvas apresentadas na Fig. 3.

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 daquantidade de movimento, e fluxo zero para as equações de conservação da massa e das espécies químicas. Para aequação 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 motormonocilindro. As paredes dos coletores, por sua vez, são configuradas como adiabáticas de acordo comrecomendações do desenvolvedor do programa.

Independência de malha

Um estudo de independência de malha foi desenvolvido em um trabalho anterior (Fonseca et al, 2014) para omesmo motor em condição de escoamento a frio. Com base neste estudo e em outros trabalhos executados, optou-se 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 eo 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 5n 1

Inicio de queima 700Duração de Queima 50

Apesar de seu extenso equacionamento, o modelo ECFM-3Z possui apenas dois parâmetros de ajuste direto, quesão 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 modelosde combustão com os resultados de uma série de experimentos conduzidos em um motor monocilindro de pesquisacom acesso ótico operando com etanol injetado no pórtico. As condições de contorno apresentadas no gráfico daFig. 3 foram obtidas nesta série de experimentos, dos quais também foi extraída a temperatura prescrita nas paredesque possuem esta condição de contorno.Nesta mesma série de experimentos foram obtidos resultados para a pressão dentro do cilindro, taxa de liberaçãode calor e fração de massa queimada. Estes resultados são usados para fins de comparação com os resultados dosmodelos numéricos. O motor foi utilizado operando a 2000 rpm e com 14% de carga.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 180 360 540 720

Pres

são

(bar

)

Ângulo do virabrequim (°)

ExaustãoAdmissão

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Resultados para o modelo ECFM-3Z

Resultados para a pressão no interior do cilindro utilizando metodologia numérica e experimental são apresentadosna 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 mostrampoucas diferenças durante o período da combustão, entre 3600 e 5000. O pico de pressão dos resultadosexperimentais é de 14,2 bar e ocorre em 384o, enquanto para o modelo numérico, o pico de pressão é de 13,8 bare ocorre em 3920. O valor do pico de pressão é semelhante ainda que haja um certo atraso de fase, presente emtodo ciclo de expansão também.

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 amassa de combustível admitida já foi queimada, o que indica que o modelo prevê que a mistura ar combustíveldeve ter sofrido auto-ignição. Esta predição é completamente discrepante com relação aos resultadosexperimentais, foi então necessário aplicar algumas mudanças no modelo 3D utilizando o ECFM-3Z à fim deevitar 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. Emcontraste à Figura 2, o modelo de Wiebe apresenta resultados menos defasados no tempo mas um pico de pressãomuito maior de 17,6 bar em 380 CAD.

Figura 5: Pressão dentro do cilindro para o modelo Wiebe.

0

3

6

9

12

15

0 180 360 540 720

Pres

sure

[bar

]

Crank Angle Degree [CAD]

ECFM-3Z Experiment

0

5

10

15

20

0 180 360 540 720

Pressão (bar)

Ângulo de manivela (graus)

Wiebe Experimento

Não apenas o pico de pressão são diferentes, mas na abertura da válvula de exaustão a pressão no cilindro é muitomaior para o experimento que para a simulação. Então não apenas o pico mas também a derivada é maior nosresultados 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 360 e 450 CAD, enquanto durante todo o tempo de exaustão atemperatura experimental se mantém em altos valores em torno de 1500 K. Para o mesmo período resultadosnuméricos saltam de 1750 K para 900 K com a abertura da válvula de exaustão.Nesse caso, resultados numéricos apresentam melhor comportamento de acordo com o que é esperado de um motorde 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 asparedes, altas temperaturas continuam ocorrendo.

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 seravaliada até o fim do ciclo, ou pelo menos alguns graus a mais do que o comum. A Figura 6 mostra que o caloraparente liberado derivado da pressão no cilindro. O pico no experimento é menor que o obtido numericamente eocorre depois, e a derivada da liberação de calor experimental é menor. Além disso, o experimento mostra umaliberação de calor característica de queima por chama difusiva em torno de 395 CAD, enquanto a Lei de Wiebenão leva em conta esse fenômeno.

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 melhorara evaporação do combustível e formação da mistura. Era esperado que a mistura fosse formada dentro do pórtico

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

0 180 360 540 720

Temperatura(K)

Ângulo de manivela (graus)

ExperimentoWiebe

0102030405060708090100

350 380 410 440 470

MBF (%)

Ângulo de manivela (graus)

ExperimentoWiebe

e então entraria no cilindro homogênea e perfeitamente difundida no meio. Os resultados experimentais claramentemostram que houve chama difusiva, o que significa que uma quantidade de combustível não foi misturada e entãoestá queimando lentamente durante o tempo de expansão. Uma possível explicação para isso é a formação de filmelíquido 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 30% da massa de combustível total é queimada por chamadifusiva, e os outros 70% por chama de propagação. A Figura 7 mostra a fração de massa queimada no experimentoapenas até 470 CAD mas a queima levou quase 180 CAD para ocorrer completamente. Os resultados numéricosda Lei de Wiebe foram apenas até 70 % de queima, uma vez que consideram apenas a queima de premistura.

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 umatraso de ignição manualmente por meio de um atraso no tempo de centelha. Para conseguir o melhor resultado nopresente momento foi necessário encontrar a curva que mais se pareceu com a fração de massa queimadaResultados iniciais mostraram, como esperado, que os modelos computacionais requerem que o atraso de igniçãoseja setado manualmente atravéz do atraso do parámetro que governa o momento de centelha. Para atingir melhoresresultados até o presente momento, foi também necessário encontrar o melhor ajuste das curvas experimentais defração de massa queimada e da curva obtida pela equação de Wiebe, resultando nos melhores valores do fator deforma(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 noexperimento, 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 estefato. A estratégia tomada foi de truncar a massa total de combustível excluindo a massa queimada durante a fasedifusiva da combustão. Isso foi feito aumentando o fator lambda nas configurações da prémistura admitida nocilindro.Os resultados apresentados aquí estão ainda sujeito à melhorias devido estágio de desenvolvimento destametodología. Ao final, os resultados de saída esperados são um modelo computacional que prediga ocomportamento do motor ótico de pesquisa para um vasto intervalo de pontos de operação com os quais osresultados poderão ser usados no planejamento de experimentos e validações de modelo, além de teste deparámetros e combustíveis. Sumarizando, o modelo está sendo ajustado para um único caso mas é esperado queatenda à todo intervalo de operação do motor.

CONCLUSÕES

Muitos modelos são utilizados para prever a influência dos processos de combustão nos ciclos do motores decombustão interna, e os modelos computacionais mais recentes são baseados em 3 zonas: uma contendo os gasesqueimados, uma contendo os gases não queimados e uma ultima responsável pela chama difusiva. Esses modelosão altamente demandantes computacionalmente, o que se torna algo indesejável, especialmente quando resultadosrazoáveis podem ser obtidos com modelos de abordagem consideravelmente mais simples, e consequentementemenos demandantes de tempo computacional.

0

5

10

15

20

25

350 380 410 440 470

AHR (J/deg)

Ângulo de manivela (graus)

ExperimentoWiebe

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, 2007.3. Fonseca, 2014.4. Rassweiler, G.M. and Withrow, L., “Motion pictures of engine flames correlated with pressure cards”, SAE

Technical Paper 800131, 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 andTechnology – Rev. IFP, Vol. 59 (2004), No. 6, pp. 593-609.

7. STAR Methodology for Internal Combustion Engine Applications – Version 4.22, 20148. Duclos, J.M., and Veynante, D., “Comparison of Flamelet Models for Premixed Turbulent Combustion”,

Combustion and Flame, vol. 95, 101-117, 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., 2003.

10. Duclos, J.M. and Zolver, M., “3D Modeling of Intake, Injection and Combustion in a DI-SI Engine underHomogeneous and Stratified Operating Conditions”, International Symposium COMODIA, 1998.

11. Candel, S., Veynante, D., Lacas, F., Maistret, E. et al., “Coherent flame model: applications and recentextensions”, in “Advances in Combustion Modeling, in Series on Advances in Mathematics for AppliedSciences”, pp. 19-64. World Scientific, Singapore, 1990.

12. Darabiha, N., Giovangigli, V., Trouve, A., Candel et al., “Coherent flame description of turbulent premixedducted 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 flameletdescription 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 FiatPowertrain pelo suporte financeiro e estrutura dos laboratórios, que permitiram o desenvolvimento deste estudono 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