Simulação CFD do escoamento de ar e etanol em um coletor de admissão de um motor diesel e verificação por GCI

Abstract

Atualmente, os motores de injeção direta a diesel são motores primários favoráveis para uma ampla gama de aplicações, especificamente nos setores de transporte e construção. Porém, este modelo possui problemas severos, como a elevada taxa de emissão de óxidos de nitrogênio e de fumaça (responsáveis por aumentar a poluição ambiental), assim como o esgotamento cada vez mais rápido de sua principal fonte de combustível, o petróleo. Deste modo, nas últimas décadas, esforços extensivos estão sendo feitos para procurar combustíveis alternativos objetivando superar a dependência de combustíveis fósseis e reduzir a poluição ambiental. Nesse sentido, estudos recentes mostram que o biodiesel é um dos combustíveis alternativos mais promissores para motores a diesel devido às suas características biodegradáveis, oxigenadas, livres de enxofre e renováveis. No entanto, certas desvantagens também são relatadas com o uso destes combustíveis, como baixa estabilidade de armazenamento, propriedades de fluxo a frio, características de pulverização inferiores e menor poder calorifico. Desse modo, o projeto tem o intuito de construir a fase iniciar do estudo de biocombustíveis (etanol) na melhoria do desempenho e emissão em motores aplicados à propulsão veicular. Para isso, promoveu-se simulações, com o software Ansys Fluent, de um sistema de injeção independente de etanol no coletor de admissão de um motor de ignição por compressão. A partir de uma bancada dinamométrica contendo o motor John Deere 7230J, construiu-se o modelo CAD de seu coletor de ar e realizaram-se modificações capazes de representar um sistema independente e controlável de injeção concomitante de biocombustível. Com a utilização do método de convergência de índice de malha (GCI) foram realizadas simulações capazes de demonstrar os comportamentos das linhas de corrente de ar e o etanol no coletor e analisar visualmente a homogeneidade final da mistura. O método GCI implantado analisa os parâmetros da pressão média e da fração média de etanol na saída do coletor, possuindo incertezas de, respectivamente, 1,01% e 2,28%. Desse modo, comprovou-se que a malha refinada utilizada é capaz de representar o problema real estudado, validando a análise fenomenológica da simulação. Com estas simulações, esperava-se obter uma boa homogeneidade final da mistura de ar-etanol, uma vez que isso aumentaria a eficiência do motor e reduziria a emissão de poluentes sem prejudicar a potência específica do motor. Porém esta homogeneidade não foi obtida, sendo necessário implantar, em trabalhos futuros, novos métodos para alterar este cenário.

Currently, diesel direct injection engines are the preferred primary engines for a wide range of applications, particularly in the transportation and construction sectors. However, this engine type presents serious issues, such as the high emission rates of nitrogen oxides and smoke (responsible for increasing environmental pollution), as well as the increasingly rapid depletion of its main fuel source, petroleum. Therefore, in recent decades, extensive efforts have been made to search for alternative fuels aimed at overcoming the dependence on fossil fuels and reducing environmental pollution. In this context, recent studies show that biodiesel is one of the most promising alternative fuels for diesel engines due to its biodegradable, oxygenated, sulfur-free, and renewable characteristics. Nevertheless, certain disadvantages have also been reported with the use of these fuels, such as low storage stability, poor cold flow properties, inferior spray characteristics, and lower calorific value. Thus, this project aims to establish the initial phase of the study of biofuels (ethanol) for improving performance and emissions in engines applied to vehicular propulsion. To this end, simulations were carried out using the Ansys Fluent software to model an independent ethanol injection system in the intake manifold of a compression-ignition engine. Based on a dynamometric test bench containing the John Deere 7230J engine, a CAD model of its intake manifold was developed, and modifications were made to represent an independent and controllable system for the concurrent injection of biofuel. Using the Grid Convergence Index (GCI) method, simulations were performed to demonstrate the behavior of airflow and ethanol streamlines within the manifold and to visually analyze the final homogeneity of the mixture. The implemented GCI method evaluated the average pressure and average ethanol mass fraction at the outlet of the manifold, with uncertainties of 1,01% and 2,28%, respectively. Therefore, it was verified that the refined mesh used is capable of accurately representing the real problem studied, validating the phenomenological analysis of the simulation. With these simulations, it was expected to achieve good final homogeneity of the air–ethanol mixture, since this would increase engine efficiency and reduce pollutant emissions without compromising the specific power output of the engine. However, this homogeneity was not achieved, making it necessary to implement, in future works, new methods to modify this condition.