Pollutant formation simulation models (CO, NOx and UHC) for Ethanol-fueled engines

Orientador: Waldyr Luiz Ribeiro GalloDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A atual necessidade mundial de combustíveis alternativos para automóveis no planeta reflete a importância da efetivação do etanol no mercado automobilístico internacional. O etanol brasileiro, proveniente da cana de açúcar, possui maior nível de sustentabilidade se comparado aos combustíveis fósseis e pode ser integralmente aplicado em motores de combustão interna. Seu uso apresenta benefícios de desempenho técnico e de poluentes, mesmo com a aplicação geral do catalisador de três vias nos motores atuais. Este trabalho foca no estudo e desenvolvimento de modelos matemáticos para previsão e formação de poluentes regulados (monóxido de carbono, óxido nítrico e hidrocarbonetos não-queimados) por parte do funcionamento de motores de ignição por centelha movidos a etanol. Concentrações molares de oxido nítrico (NO) e monóxido de carbono (CO) foram calculadas de acordo com a aplicação de conceitos de cinética química e equilíbrio químico em um modelo zero-dimensional termodinâmico de duas zonas, o qual simula o funcionamento de um motor de ignição por centelha. A análise de formação contínua destes poluentes é calculada a medida que o modelo de Wiebe calcula as massas das zonas queimada e não-queimada, com base nas condições definidas previamente na simulação da operação do motor. O modelo de cinética é composto de 22 reações químicas e 12 espécies (Ar, CO, CO2, H, H2, H2O, OH, O, O2, N, N2, NO), cujo sistema de equações diferenciais é solucionado pelo método numérico trapezoidal implícito, aplicado durante todo o processo de combustão e expansão do ciclo simulado. Convergência a cada iteração é garantida com a aplicação do método de Newton-Raphson para solução de sistemas não-lineares de forma rápida, se considerada que a solução completa das equações diferenciais é obtida. Para o modelo de hidrocarbonetos não-queimados (UHC), desenvolveu-se dois modelos simplificados para os fenômenos de fenda (crevice) e extinção (quenching), através de aplicações de conceitos de gases ideais e da termodinâmica. Resultados mostram coerência qualitativa com dados de formação e emissões presentes na literatura e com medições experimentais para a geometria do motor estudado, com capacidade de predizer, no futuro, o efeito nas emissões causado por sistemas auxiliares do motor, como EGR e turboalimentação, evitando custos com análises experimentais para obter-se informações similaresAbstract: The current worldwide necessity of alternative fuels for automobiles in the planet reflects the importance of ethanol on the international automotive market. The Brazilian ethanol, which mostly comes from sugar cane, presents a more sustainable origin than fossil fuels and may be applied as a fuel on internal combustion engines. Its use presents benefits on technical area and reduction of combustion gases, despite the three-way catalyst presence on current engines. This thesis focuses on the study and development of mathematical models for prevision and formation of regulated pollutants (carbon monoxide, nitric oxide and unburned hydrocarbons) derived from combustion process in spark-ignited engines fueled by ethanol. Concentrations of nitric oxide (NO) and carbon monoxide (CO) were calculated based on concepts of chemical kinetics and chemical equilibrium applied on a zero-dimensional two-zone thermodynamic model of a spark-ignited engine. The continuous formation analysis of these pollutants is evaluated at the same moment as a Wiebe function calculates the amount of unburned and burned masses in the cylinder, considering the conditions previously defined on the engine operation simulator. The kinetic model is composed by 22 chemical reactions and 12 chemical species (Ar, CO, CO2, H, H2, H2O, OH, O, O2, N, N2, NO), which provides a system of differential equations that is solved by the implicit trapezoidal numerical method, applied during combustion and expansion processes of the simulated cycle. Convergence during each iteration is guaranteed by the application of the Newton-Raphson method for nonlinear system of equations, obtaining relatively quick solutions, despite the calculation of the full solution of the system on each iteration. For the unburned hydrocarbon model (UHC), it was developed two simplified models for the phenomenon of crevice and flame quenching, with application of ideal gases and thermodynamic concepts. Results showed qualitatively coherence with formation and emission data presented by literature and with experimental measurements of the studied engine. These models may be applied in the future to predict the effect of auxiliary systems of the engine, such as EGR and turbocharging, on regulated gas emissions, avoiding experimental costs to obtain similar informationMestradoTermica e FluidosMestre em Engenharia Mecânica2015/17041-7FAPES