Publicação: Otimização dos parâmetros operacionais de um motor linear via simulações multidimensionais
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::TRANSFERENCIA DE CALOR, CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
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Autores
Orientador
Coorientador
Santos, Marcelo Braga dos
Resumo
Os modelos numéricos capazes de simular de maneira acoplada um motor linear e
um gerador elétrico em geral utilizam uma representação da combustão, no interior
do cilindro do motor, baseada num modelo termodinâmico quase-dimensional. Nesse
sentido, os fenômenos físicos e químicos dependentes do espaço são representados
de maneira simplificada. Devido às hipóteses simplificadoras associadas ao modelo,
todos os fenômenos referentes à cinética química da combustão, dinâmica de fluidos
e transferência de calor são resumidos na lei universal dos gases e numa função de
liberação de calor para a combustão. Em tais modelos o cálculo é extremamente
simples do ponto de vista computacional e permite a execução de um processo de
otimização para a escolha de características e parâmetros operacionais ótimos do
motor linear, conduzindo ao dimensionamento e projeto geométrico da câmara de
combustão utilizada neste trabalho. O objetivo deste trabalho é validar e propor
alterações ao projeto otimizado ao utilizar simulações multidimensionais do motor
projetado visando a melhoria de seu desempenho. Dessa forma, buscou-se, ao longo
da realização do trabalho, maximizar parâmetros como eficiência térmica e trabalho
bruto indicado por ciclo. Três configurações distintas foram estudadas. A primeira diz
respeito à configuração original do motor, onde mistura ar-combustível
estequiométrica adentra o cilindro através de janelas. Verificou-se, no entanto, que tal
configuração provocava fluxo mássico reverso através das janelas e autoignição dos
hidrocarbonetos do gás de pirólise. Na segunda configuração, realizou-se a admissão
de mistura ar-combustível por meio das válvulas e constatou-se que o fluxo mássico
reverso, através das válvulas, pode ser mitigado desde que se faça uso de um perfil
de deslocamento adequado. Mesmo nesta configuração, o C3H6, presente no gás de
pirólise, sofre autoignição e o desempenho fica aquém do desejável. Por isso, testou
se a terceira e última configuração com admissão de ar puro pelas janelas e injeção
direta de gás de pirólise no interior do cilindro. Esta configuração, para uma pressão
de injeção de gás de pirólise de 8 bar, mostrou-se ser a mais promissora com uma
eficiência térmica de 54,20% e trabalho bruto indicado por ciclo de 160 J.
Abstract
Numerical models capable of simulating a linear engine and an electric generator in a
coupled manner generally employ a representation of combustion inside the engine
cylinder based on a quasi-dimensional thermodynamic model. In this sense, the space
dependent physical and chemical phenomena are represented in a simplified way. Due
to the simplifying assumptions associated with the model, all phenomena related to
combustion chemical kinetics, fluid dynamics, and heat transfer are summarized in the
universal gas law and in a combustion heat release function. In such models, the
calculation is extremely simple from a computational point of view and allows the
execution of an optimization process for the selection of optimal characteristics and
operational parameters of the linear engine, leading to the sizing and geometric design
of the combustion chamber used in this work. The aim of this work is to validate and
propose modifications to the optimized design by using multidimensional simulations
of the designed engine, seeking performance improvements. Thus, throughout the
development of this study, the objective was to maximize parameters such as thermal
efficiency and gross indicated work per cycle. Three distinct configurations were
investigated. The first concerns the original configuration of the engine, in which a
stoichiometric air-fuel mixture enters the cylinder through ports. It was found, however,
that such configuration caused reverse mass flow through the ports and autoignition
of hydrocarbons in the pyrolysis gas. In the second configuration, the air-fuel mixture
was admitted through valves, and it was observed that the reverse mass flow through
the valves can be mitigated provided that an appropriate displacement profile is
applied. Even in this configuration, C3H6 present in the pyrolysis gas undergoes
autoignition, and the performance remains below expectations. For this reason, the
third and final configuration was tested, with fresh air intake through the ports and direct
injection of pyrolysis gas into the cylinder. This configuration, with a pyrolysis gas
injection pressure of 8 bar, proved to be the most promising, achieving a thermal
efficiency of 54.20% and a gross indicated work per cycle of 160 J.
Palavras-chave
Motor linear, Motogerador linear, Gás de pirólise, Otimização, Simulações multidimensionais, Free-piston engine, Free-piston generator, Pyrolysis gas, Optimization, Multidimensional simulations, Engenharia Mecânica
Citação
SANTOS, Evandro Evangelista. Otimização dos parâmetros operacionais de um motor linear via simulações multidimensionais. 2025. 142 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI https://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.697.