Determinação do desempenho e caracterização do processo de combustão de um motor propulsor marítimo de ignição por compressão, dois tempos e baixa rotação

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Nerivaldo Rodrigues da, 1956-
Data de Publicação: 2018
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1634881
Resumo: Orientador: Caio Glauco Sánchez
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spelling Determinação do desempenho e caracterização do processo de combustão de um motor propulsor marítimo de ignição por compressão, dois tempos e baixa rotaçãoPerformance determination and characterization of combustion process of two-stroke, and low rotation marine engineNavios - PropulsãoMotores a dois tempos - Projetos e construçãoMotor diesel - CombustãoCinematica das maquinas - Processamento de dadosMotores de combustão interna - TermodinâmicaInternal combustion engines - ThermodynamicsShips - PropulsionTwo-stroke engines - Projects and constructionDiesel engine - CombustionKinematics of machines - Data processingOrientador: Caio Glauco SánchezTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: As pesquisas em motores diesel marítimos de grande porte de dois tempos é modesta em comparação com outros tipos de motores menores devido ao seu tamanho, custo e complexidade das instalações para teste de grandes motores. Há uma quantidade razoável de literatura fornecida pelos principais fabricantes, como MAN Diesel & Turbo (MDT), Wärtsilä e ABB. No entanto, esta literatura não fornece detalhes sobre as metodologias, e além disso, as condições específicas do estudo não são disponibilizadas nos trabalhos devido ao sigilo industrial. A construção de um protótipo virtual, Digital Mock Up (DMU) e sua simulação cinemática através do software CAD/CAE é um método alternativo para obter dados geométricos, curva de elevação da válvula de escape e outros parâmetros para a análise e modelagem da combustão que não estão disponíveis na literatura cientifica. Os componentes foram modelados em 3D utilizando os métodos e ferramentas de engenharia reversa. Para montagem, ajuste dos componentes e a simulação cinemática do DMU utilizamos um software CAD/CAE. A curva de pressão em função do ângulo do virabrequim foi medida com um aparelho indicador digital. Durante parte da viagem do navio com o motor operando em condições estáveis a 98 rpm foi medido a pressão dos cinco cilindros. O seu sensor de pressão piezoelétrico do indicador foi conectado temporariamente à câmara de combustão através dos rubinetes (válvulas) dos cilindros. Foi utilizada a média de 10 ciclos gravados com resolução do encoder de 0,5 grau. O desempenho do motor foi avaliado comparando os valores medidos com os dados obtidos no teste de fábrica do motor e prova de mar do navio. Embora o instrumento utilizado nos navios para medição da pressão ser digital, a taxa aparente de liberação de calor (AHR) não é utilizada como um indicador de desempenho, como uma ferramenta para o diagnóstico de falhas e regulagem dos motores. Neste estudo, um modelo zero-dimensional foi utilizado para determinar a AHR e complementar a análise do desempenho. Os dados geométricos necessários, não disponíveis na literatura, foram obtidos com a criação e simulação cinemática do protótipo virtual do motor (DMU). Os parâmetros métricos da combustão foram determinados com a curva da fração da massa de combustível queimado. A taxa de liberação de calor foi determinada através do da primeira lei da termodinâmica, gases ideais. O conteúdo do cilindro é considerado uma mistura homogênea de gases sem variação do número de moles na fase fechada do ciclo, quando as janelas de admissão e a válvula de escape estão fechadas, utilizando um modelo termodinâmico zero dimensional de uma única zona de combustão e calor específico constante. A taxa de compressão da DMU foi validada pela variação da curva de compressão modelada pelo software BOOST até corresponder à curva de pressão medida na fase de compressão do ciclo. O estudo demonstrou que essa metodologia pode ser aplicada e permitirá a pesquisa de equipamentos de grande porte. A análise da taxa de liberação de energia (AHR) além de ser um indicador de conversão de energia poderá auxiliar no diagnóstico de falhas do motor identificando o início, o ângulo onde ocorreu a queima de 50% da massa de combustível, o término da combustão e possíveis desvios da qualidade do combustível. Obteve-se, assim, o valor médio AHR de 66,6 MW no ângulo médio de 7,3o ATDC. Palavras-chave: Combustão, Taxa de liberação de calor; Desempenho motor marítimo 2T, Digital mock upAbstract: Research in large marine two-stroke diesel engines is modest compared to other types of smaller engines due to their size, cost, and complexity of the facilities for large engines testing. There is a fair amount of literature provided by leading manufacturers such as MAN Diesel & Turbo (MDT), Wärtsilä, and ABB. However, this literature provides no details on the methodologies and specific conditions of the study are not available in the work due to industrial secrecy. The creation of a virtual prototype and its kinematic simulation using CAD/CAE software is an alternative method to obtain geometrical data, exhaust valve elevation curve, and other parameters for combustion analysis and modeling. The components were 3D-modeled using reverse engineering methods and tools. CAD/CAE software was used for DMU assembly, component adjustment, and kinematic simulation. The pressure curve as a function of the crankshaft angle was obtained with digital indicator. During part of a ship trip with the engine operating at 98 rpm under stable conditions, the pressure of five cylinders was measured. Its piezoelectric indicator pressure sensor has been temporarily connected to the combustion chamber through the cylinder valves. The average value of 10 cycles measured at each 0.5 degree crankshaft displacement was used. The engine performance analysis was done comparing measured data with data obtained in the factory test and sea test of the ship. While ships are equipped with digital instruments to measure the pressure, the apparent heat release (AHR) rate is not used as a performance indicator, as a tool for failure diagnosis and engine adjustment. In this study, a zero-dimensional model was used to determine the AHR and to complement the performance analysis of the marine engine. Required geometrical data, not available in the literature, were obtained with the creation and kinematic simulation of the Digital Mockup (DMU). Combustion metric parameters were determined with the mass fraction burned fuel curve. The apparent heat release (ARH) rate was determined using the first law of thermodynamics and the ideal gas law through 0D model. The cylinder content is considered to be a homogeneous mixture of gases, without varying the number of moles during the closed phase of the cycle. DMU compression ratio was validated by varying the compression curve modeled by BOOST software until matching the pressure curve measured in the compression phase of the cycle. The study demonstrated that this methodology can be applied and will allow to research large equipment. Heat release (AHR) rate analysis, in addition to being an indicator of energy conversion, could help in the diagnosis of engine failures by identifying the start, the angle of 50% fuel mass burning, combustion end, and possible deviations of fuel quality. A mean AHR value of 66.6 MW was obtained at the mean ATDC angle of 7.3o. Keywords: combustion; heat release rate; 2-stroke marine engine performance; digital mock upDoutoradoTérmica e FluídosDoutor em Engenharia MecânicaCAPES33.00.30.17[s.n.]Sánchez, Caio Glauco, 1955-Scalon, Vicente LuizRodriguez, Oscar Mauricio HernandezGallo, Waldyr Luiz RibeiroFerreira, Janito VaqueiroUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASSilva, Nerivaldo Rodrigues da, 1956-20182018-08-31T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (108 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1634881SILVA, Nerivaldo Rodrigues da. Determinação do desempenho e caracterização do processo de combustão de um motor propulsor marítimo de ignição por compressão, dois tempos e baixa rotação. 2018. 1 recurso online (108 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1634881. 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