Estudo do funcionamento de um motor de combustão interna, alimentado por injeção indireta de etanol e injeção direta de água na câmara de combustão

Orientador: Janito Vaqueiro FerreiraTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Na busca contínua pelo aumento da eficiência e redução do impacto ambiental, devido ao uso de motores de combustão interna (ICE), a injeção de água tem sido uma das estratégias mais utilizadas para atingir esses objetivos. Várias foram e ainda são as metodologias que utilizam a água como método de controle de temperatura e redução de emissões. Antes do uso de turbinas de jato e durante o uso de motores de pistão na aviação militar e comercial, a injeção de água e soluções de água e álcool foi implementada como uma estratégia para controlar a temperatura interna do cilindro durante a combustão. Isso permitiu o aumento das taxas de compressão com o consequente aumento de potência, principalmente em operações críticas como decolagens e manobras evasivas durante o combate. As conseqüências da aplicação desta técnica têm sido extensivamente investigadas em motores que utilizam combustíveis derivados do petróleo (gasolina e diesel). No entanto, em dispositivos que utilizam combustíveis alternativos, como o etanol ou outros biocombustíveis, existem poucas referências à pesquisa que utiliza técnicas de injeção de água nesses motores. A pesquisa aqui apresentada mostra os resultados da implementação utilizando simulação computacional de um modelo termodinâmico de duas zonas que integra a injeção de água líquida diretamente na câmara de combustão, em um motor que utiliza etanol como combustível. O modelo proposto interpreta a partir da termodinâmica o comportamento da água no interior do cilindro quando é injetado na forma líquida durante qualquer momento do ciclo. Até agora, esse tipo de análise foi realizado por meio de testes experimentais. Aqui a influência da água do ponto de vista teórico é estudada usando simulação. O modelo é validado comparando seus resultados com os da pesquisa experimental que implementa a mesma técnica de injeção de água proposta. A pesquisa mencionada usa um protótipo de motor que usa gasolina como combustível. Ao comparar alguns dos parâmetros operacionais, como a pressão no interior do cilindro, o consumo específico de combustível efetivo ou a taxa de liberação de calor durante a combustão, verifica-se que o modelo se comporta muito próximo do que foi relatado nos dados experimentais. Outras variáveis, como as emissões de NOx, apresentam tendências semelhantes entre o comportamento experimental e o simulado, apesar da grande variabilidade dos dados experimentais. Por fim, o modelo apresenta grande flexibilidade, pois pode ser utilizado para simular diferentes geometrias de motores, regimes de rotação e uso de combustíveis como gasolina, etanol, etanol hidratado e misturas destes em diferentes proporçõesAbstract: In the continuous search for the increase in efficiency and the reduction of environmental impact, due to the use of internal combustion engines (ICE), water injection has been one of the strategies frequently used to achiev these objectives. Several have been and still are the methodologies that use water as a method of temperature control and emission reduction. Before the use of jet turbines and during the use of piston engines in military and commercial aviation, the injection of water and water and alcohol solutions was implemented as a strategy to control the internal temperature of the cylinder during combustion. This allowed the increase of compression ratios with the consequent increase in power, especially in critical operations such as takeoff and evasive maneuvers during the fighting. The consequences of the application of this technique have been extensively investigated in engines that use fuels derived from petroleum (Gasoline and Diesel). However, in devices that use alternative fuels such as ethanol or other bio-fuels, there are few references to research that uses water injection techniques in these engines. The research presented here shows the results of the implementation using computational simulation of a thermodynamic model of two zones that integrates the injection of liquid water directly into the combustion chamber, in an engine that uses ethanol as fuel. The proposed model interprets from thermodynamics the behavior of the water inside the cylinder when it is injected in liquid form during any moment of the cycle. So far, this type of analysis has been carried out through experimental tests. Here the influence of water from the theoretical point of view is studied using simulation. The model is validated by comparing its results with those of experimental research that implements the same water injection technique that is proposed. The research mentioned uses a prototype engine that uses gasoline as fuel. When comparing some of the operating parameters, such as the pressure inside the cylinder, the specific fuel consumption at brake or the rate of heat release during combustion, it is found that the model behaves very closely to what was reported in the experimental data. Other variables such as NOx emissions present similar trends between experimental and simulated behavior, despite the great variability of the experimental data. Finally, the model presents great flexibility because it can be used to simulate different engine geometries, rotation regimes and the use of fuels such as gasoline, ethanol, hydrated ethanol and mixtures of these in different proportionsDoutoradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoDoutor em Engenharia Mecânica2015/20801-3FAPES