Caracterização do escoamento de ar em um motor de combustão interna utilizando mecânica dos fluidos computacional

• Autor(a) principal: Leonardo Guimaraes Fonseca
• Data de Publicação: 2014
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-9UPPEA
• topic: Cfd; Rendimento volumétrico; Motores de combustão interna; Tumble; Swirl; Motores de combustão interna; Engenharia mecânica

A caracterização do escoamento transiente de ar dentro de um cilindro de um motor de combustão interna utilizando a mecânica dos fluidos computacional, aliada ao método dos volumes finitos é apresentada. Parâmetros do escoamento do motor são analisados para várias condições de operação, visando determinar as melhores condições para otimizar o desempenho do motor. A movimentação do pistão e das válvulas é simulada através da movimentação da malha gerada pelo módulo especializado ES-ICE do software comercial STAR-CD, o que possibilita o cálculo do escoamento transiente durante o ciclo completo do motor. O modelo de turbulência RNG k- é escolhido para a simulação do escoamento turbulento, por seu bom desempenho na descrição do escoamento dentro do cilindro em diversos trabalhos da literatura quando seus resultados são comparados com dados experimentais, e também por apresentar um tempo computacional relativamente reduzido. Um procedimento de independência de malha é utilizado com o objetivo de apresentar resultados confiáveis em todo o intervalo de análise. A malha com o pistão no ponto morto inferior é escolhida como referência do ciclo de análise para avaliação do refinamento de malha e os resultados de velocidade média em planos específicos são utilizados para verificar a qualidade dos resultados entre as diversas malhas, escolhendo aquela que apresenta a melhor relação custo benefício entre gasto computacional e qualidade dos resultados. A validação dos resultados é feita através da comparação entre resultados obtidos pelo modelo para um motor monocilindro de pesquisa, e resultados experimentais obtidos para o mesmo motor nas mesmas condições de funcionamento. São realizadas simulações dinâmicas do escoamento em um cilindro para um conjunto de oito velocidades de rotação do motor, sendo simulados para cada rotação os valores de 0°, 30° e 60° do ângulo de cruzamento de válvulas. O objetivo é determinar as características do escoamento e a quantidade de ar admitida no cilindro durante o processo de admissão e analisar o tumble e swirl durante os processos de admissão e compressão para cada um dos ângulos de cruzamento analisados. Os resultados mostram claramente a característica do escoamento dentro do cilindro, indicando que o motor apresenta um swirl médio como vórtice predominante em todos os casos analisados. O vórtice do tipo tumble apresenta a segunda maior intensidade média para a maioria dos casos, enquanto a intensidade média do vórtice de cross tumble é importante apenas para alguns casos. Dentre os valores do ângulo de cruzamento analisados, o valor de 30° apresenta os melhores resultados médios, tanto na intensidade e estabilidade do vórtice de swirl, quanto no rendimento volumétrico do motor, sendo este ângulo o que apresenta maior probabilidade de oferecer maiores eficiências de combustão. Os resultados mostram como a mecânica dos fluidos computacional pode auxiliar na avaliação destas grandezas, que são importantes para o desenvolvimento de motores de combustão interna.