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ORCID:  http://orcid.org/0009-0003-1396-3711
Document type: Tese
Access type: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 United States
Title: Efeitos de uma válvula geradora de tumble no escoamento em um motor de ciclo Otto
Alternate title (s): Effects of a tumble valve on the flow in an Otto cycle engine
Author: Radicchi, Fábio de Castro
First Advisor: Souza, Francisco José de
First member of the Committee: Huebner, Rudolf
Second member of the Committee: Duarte, Carlos Antonio Ribeiro
Third member of the Committee: Neto, Aristeu da Silveira
Fourth member of the Committee: Vedovotto, João Marcelo
Summary: De acordo com alguns relatórios internacionais recentes, as emissões de gases do efeito estufa ainda representam um problema global cujas causas estão associadas, pelo menos em partes, aos motores de combustão interna utilizados no setor de transportes. Esses estudos ainda apontam um provável esgotamento das reservas de combustíveis fósseis nas próximas décadas e a dificuldade em se substituir os motores de combustão por outras alternativas, o que agrava esse cenário e reforça a necessidade de se continuar investigando possíveis melhorias. Com base nisso, foi proposto e avaliado neste trabalho a utilização de uma válvula geradora de tumble no sistema de admissão de um motor quatro tempos operando com etanol, com o objetivo principal de aprimorar alguns processos que antecedem a combustão e ocorrem dentro do motor, como a formação da mistura e o escoamento de ar. A válvula desenvolvida diferencia-se de outros dispositivos encontrados na literatura em razão da sua versatilidade, sendo composta por dois flaps interconectados e móveis que ao serem fechados parcialmente modificam os padrões do escoamento dentro do cilindro. O estudo realizado foi essencialmente numérico baseado na fluidodinâmica computacional e as simulações foram executadas no programa comercial Converge. O motor considerado foi um motor monocilindro de pesquisa, naturalmente aspirado, de quatro válvulas e razão volumétrica de compressão de 11,5:1. Escolheu-se uma condição de operação representativa com uma rotação do motor igual a 3000 rpm e carga média de 600 mbar na admissão. Um método para a seleção das melhores inclinações dos flaps por meio de simulações bidimensionais foi desenvolvido e a partir dele selecionou-se a inclinação de 6°. As simulações tridimensionais com essa configuração revelaram aumentos consideráveis do coeficiente de tumble e da energia cinética turbulenta, que aumentou cerca de 44% próximo ao eletrodo da vela nos instantes finais da compressão. O pico de pressão no cilindro aumentou em 12% e a massa aprisionada em 7,2%, promovendo uma elevação da eficiência volumétrica de 77% para 85%. Ao utilizar a válvula de maneira intermitente, obstruindo o ar em apenas metade do intervalo possível, os ganhos de pressão e enchimento do cilindro se elevaram para 18% e 26%. Já os resultados das simulações com injeção direta de etanol revelaram gotas menores próximas do instante de ignição e uma evaporação aproximadamente 10% maior ao utilizar o dispositivo. O spray de combustível no início da admissão diminuiu parcialmente os valores de tumble no cilindro, mas ainda assim foi possível perceber uma estratificação da carga importante que não ocorria no motor original. Por fim, com uma injeção tardia percebeu-se uma menor interferência sobre os valores de tumble e um ganho ainda mais acentuado de cerca de 33% na evaporação do combustível. Dessa forma, este trabalho expôs em detalhes os principais efeitos da válvula geradora de tumble e comprovou que os ganhos associados vão além da intensificação desse movimento, sendo bastante promissora para a melhoria de desempenho dos motores.
Abstract: According to some recent international reports, greenhouse gas emissions still represent a global problem whose causes are associated, at least in part, with the internal combustion engines used in the transport sector. These studies also indicate a probable depletion of fossil fuel reserves in the coming decades and the difficulty in replacing combustion engines with other alternatives, which aggravates this scenario and reinforces the need to continue investigating possible improvements. Based on this, this work proposed and evaluated the use of a tumble valve in the intake system of a four-stroke engine operating with ethanol, with the main objective of improving some processes that precede combustion and occur inside the engine, such as mixture formation and air flow. The developed valve differs from other devices found in the literature due to its versatility, being composed of two interconnected and movable flaps that, when partially closed, modify the flow patterns inside the cylinder. The study carried out was essentially numerical based on computational fluid dynamics and the simulations were performed in the commercial software Converge. It was used a single-cylinder research engine, naturally aspirated, with four valves and a volumetric compression ratio of 11.5:1. A representative operating condition was chosen with an engine speed of 3000 rpm and an average intake load of 600 mbar. A method for selecting the best flap inclination through two-dimensional simulations was developed and from it the inclination of 6° was selected. Three-dimensional simulations with this configuration revealed considerable increases in the tumble coefficient and turbulent kinetic energy, which rose by about 44% near the spark plug electrode in the final moments of compression. Peak cylinder pressure increased by 12% and trapped mass by 7.2%, promoting an increase in volumetric efficiency from 77% to 85%. When using the valve intermittently, obstructing the air in only half of the possible range, the gains in pressure and cylinder filling increased to 18% and 26%. The results of simulations with direct injection of ethanol revealed smaller drops close to the instant of ignition and approximately 10% greater evaporation when using the device. With an early start of injection, the fuel spray slightly compromised the tumble values in the cylinder, but it was still possible to perceive an important load stratification that did not occur in the original engine. Finally, with a late fuel injection, less interference was noticed on the tumble values and an even more pronounced gain of about 33% in fuel evaporation. In this way, this work exposed in detail the main effects of the tumble generator valve and proved that the associated gains go beyond the intensification of this movement, being very promising for the improvement of engine performance.
Keywords: Válvula de tumble
Tumble valve
Flap
Flap
cfd
cfd
Motores
Engine
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::TRANSFERENCIA DE CALOR
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: RADICCHI, Fábio de Castro. Efeitos de uma válvula geradora de tumble no escoamento em um motor de ciclo Otto. 2023. 176 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2018. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.37
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.te.2023.37
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/37570
Date of defense: 22-Feb-2023
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