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Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Otimização dos parâmetros operacionais de um motor linear via simulações multidimensionais
Alternate title (s): Optimization of the operational parameters of a free piston engine through multidimensional simulations
Author: Santos, Evandro Evangelista
First Advisor: Carvalho, Solidônio Rodrigues de
First coorientator: Santos, Marcelo Braga dos
First member of the Committee: Baêta, José Guilherme Coelho
Second member of the Committee: Murray, Henara Lillian Costa
Third member of the Committee: Carvalho, Solidônio Rodrigues de
Fourth member of the Committee: Santos, Marcelo Braga dos
Summary: 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.
Keywords: Motor linear
Motogerador linear
Gás de pirólise
Otimização
Simulações multidimensionais
Free-piston engine
Free-piston generator
Pyrolysis gas
Optimization
Multidimensional simulations
Engenharia Mecânica
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::TRANSFERENCIA DE CALOR
CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
Subject: Engenharia mecânica
Mecânica dos fluidos
Meios de transferência de calor
Combustão
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Quote: 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.
Document identifier: https://doi.org/10.14393/ufu.di.2025.697
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/47838
Date of defense: 19-Sep-2025
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Engenharia Mecânica

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