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Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
ENGENHARIA MECÂNICA (42002010165P8)
DESENVOLVIMENTO DE UMA CÂMARA DE COMBUSTÃO PARA COMBUSTÍVEIS A BASE DE METANO EM MOTORES DE IGNIÇÃO POR CENTELHA
CRISTIAN DOUGLAS ROSA DA SILVA
DISSERTAÇÃO
08/10/2024

A crescente demanda por combustíveis alternativos e sustentáveis impulsiona a pesquisa em tecnologias que aumentem a eficiência dos motores e reduzam as emissões poluentes e gases de efeito estufa. O biometano, derivado de biomassa, destaca-se como uma opção viável na matriz energética brasileira. Este estudo objetiva analisar e desenvolver uma geometria de pistão mais adequada para um motor de ignição por centelha operar com combustíveis à base de metano, visando maximizar a eficiência térmica e minimizar as emissões, em comparação com a geometria do motor Diesel original. O foco está em aprimorar a taxa de queima para aproximar a combustão do ciclo ideal, promovendo uma alternativa sustentável ao diesel no transporte de carga. A otimização da combustão pode ser alcançada através de ajustes na geometria do pistão, considerando parâmetros como bowl, crevices, razão superfície/volume, razão de compressão, área e altura de Squish, aumentando a eficiência térmica e reduzindo emissões. O estudo foi realizado no Grupo de Pesquisas em Motores, Combustíveis e Emissões, da UFSM, utilizando um motor Hyundai HR 2.5L modificado para operar no ciclo Otto com gás natural. O motor foi instalado em uma bancada dinamométrica para testes estacionários. As simulações CFD foram realizadas com o software CONVERGE, ajustando parâmetros como razão de compressão e área de Squish. As geometrias dos pistões foram modeladas no SolidWorks e simuladas para verificar parâmetros de combustão e turbulência, com algumas geometrias fabricadas e testadas experimentalmente. Os resultados mostram que uma maior razão de compressão aumenta a eficiência indicada, sem impactar significativamente a turbulência. Em contrapartida, a área de Squish exerce influência significativa na turbulência e na velocidade média do escoamento na região da vela de ignição. No entanto, o aumento da área de Squish, além de intensificar a turbulência, também eleva a razão superfície-volume, ampliando as perdas por transferência de calor. Nos dados experimentais, a maior intensidade de turbulência e a velocidade do escoamento na câmara de combustão aumentaram a taxa de queima, reduziram a duração da combustão e melhoraram a estabilidade. Isso contribuiu para reduzir as emissões de ISCO e ISTHC. No entanto, as emissões de NOx apresentaram um aumento, devido à maior temperatura de combustão e à maior massa de ar disponível por ciclo, resultantes de sua menor razão de compressão. Em condições de sobrealimentação, o pistão proposto demonstrou maior segurança operacional, operando de maneira controlada e minimizando a autoignição, em decorrência das menores durações de combustão alcançadas e da menor razão de compressão utilizada.

Combustíveis a base de metano;Otimização da combustão;Geometria de pistão;Turbulência
The increasing demand for alternative and sustainable fuels is driving research into technologies that enhance engine efficiency and reduce pollutant emissions and greenhouse gases. Biogas, derived from biomass, stands out as a viable option within the Brazilian energy matrix. This study aims to analyze and develop a more suitable piston geometry for a spark-ignition engine running on methane-based fuels, focusing on maximizing thermal efficiency and minimizing emissions, compared to the original Diesel engine geometry. The primary objective is to improve the burn rate to approach the ideal cycle, promoting a sustainable alternative to diesel for freight transport. Combustion optimization can be achieved by adjusting piston geometry, considering parameters such as bowl shape, crevices, surface-to-volume ratio, compression ratio, Squish area, and height, which increase thermal efficiency and reduce emissions. The research was conducted at the UFSM's Group of Research in Engines, Fuels, and Emissions, using a modified Hyundai HR 2.5L engine to operate in the Otto cycle with natural gas. The engine was installed on a dynamometer for stationary tests. CFD simulations were performed using CONVERGE software, adjusting parameters like compression ratio and Squish area. The pistons' geometries were modeled in SolidWorks and simulated to assess combustion and turbulence parameters, with some geometries fabricated and tested experimentally. The results show that a higher compression ratio increase indicated efficiency without significantly impacting turbulence. On the other hand, the Squish area has a substantial influence on turbulence and the mean flow velocity near the spark plug. However, increasing the Squish area also increases the surface-to-volume ratio, leading to higher heat transfer losses. Experimentally, the higher turbulence intensity and flow velocity in the combustion chamber improved the burn rate, reduced combustion duration, and enhanced stability, leading to lower ISCO and ISTHC emissions. However, NOx emissions increased due to higher combustion temperatures and greater air mass per cycle, attributed to the lower compression ratio. Under supercharging conditions, the proposed piston demonstrated greater operational robustness, operating in a controlled manner and minimizing autoignition due to the shorter combustion durations and lower compression ratio.
Methane-based fuels;Combustion optimization;Piston geometry;Turbulence
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PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
O trabalho possui divulgação autorizada
CRISTIAN DOUGLAS ROSA DA SILVA.pdf

Contexto

FENÔMENOS DE TRANSPORTE E ENERGIA
DESENVOLVIMENTO E ANÁLISE DE SISTEMAS PARA CONVERSÃO DE ENERGIAS RENOVÁVEIS
Rota2030-FUNDEP-Desenvolvimento de Motor a Biogás de Alta Eficiência Para Veículos de Transporte de Carga

Banca Examinadora

MARIO EDUARDO SANTOS MARTINS
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
AMIR ANTONIO MARTINS DE OLIVEIRA JUNIOR Participante Externo
MARIO EDUARDO SANTOS MARTINS Docente - PERMANENTE
GUENTHER CARLOS KRIEGER FILHO Participante Externo

Vínculo

CLT
Empresa Privada
Empresas
Sim
Plataforma Sucupira
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