Análise da operação de motores de ignição por compressão usando misturas de substitutos de diesel e etanol com cinética química detalhada

Abstract

Motores de combustão interna são amplamente utilizados, como por exemplo, no setor rodoviário e máquinas agrícolas. Mais especificamente, motores de ignição por compressão fazem parte de uma significativa porção desses setores. Contudo, sabe-se que os mesmos são responsáveis por grande parte da poluição ambiental e urbana que gera malefícios a saúde humana. Também, como os combustíveis fósseis utilizados para o funcionamento dos motores vêm de fontes limitadas, há a necessidade de buscar novas fontes e menos poluentes. Neste sentido, muitos estudos já vêm sendo feitos para que isso seja alcançado, com novas técnicas de aprimoramento da combustão e utilização de combustíveis de fontes renováveis que possam causar menos impactos ambientais, como por exemplo, o etanol. Sabe-se que o etanol tem elevada octanagem, resistindo a altas taxas de compressão e podendo ser utilizado em motores de ignição por compressão. Porém, ele também tem índice de cetano baixo, o que acarreta em maior tempo de atraso de ignição em comparação ao óleo diesel. Frente ao exposto, este trabalho tem como objetivo o estudo de um motor simplificado de ignição por compressão, por meio de simulações numéricas, usando como combustível misturas de óleo diesel e etanol, no intuito de entender melhor o potencial e as limitações do uso de etanol nesse tipo de motor. O programa utilizado não possui funções que representem transferência de calor para as superfícies do sistema, nem transformação de fase do combustível de líquido para gasoso, assim, o estudo é mais direcionado na cinética química da interação entre os dois combustíveis, por utilizar um mecanismo cinético detalhado. Foram feitas simulações variando o volume deslocado, porcentagem de etanol na mistura combustível, e foi aplicada a técnica de injeções múltiplas para entender sua influência nos resultados. Foi feita também uma simulação secundária, em reator de volume constante, para analisar o atraso de ignição do combustível diesel ao acrescentar porcentagens de etanol. Essa simulação secundária confirma o aumento do atraso de ignição devido ao etanol. No programa principal, foram feitas análises da potência de expansão, emissões de formaldeído, monóxido de carbono e monóxido de nitrogênio em função da rotação. Viu-se que etanol pode aumentar a potência de expansão, e o etanol teve maior ou menor influência na formação dos poluentes, dependendo da espécie, condições de injeção e de rotação. As análises foram feitas com base nas hipóteses simplificativas, assim, ainda podem ser feitos aprimoramentos para a obtenção de resultados mais reais e posterior comparação aos resultados aqui obtidos.

Internal combustion engines are widely used, for example in the road sector and agricultural machinery. More specifically, compression ignition engines are part of a significant portion of these sectors. However, it is known that they are responsible for much of the environmental and urban pollution that causes harm to human health. Also, as fossil fuels used for engine operation come from limited sources, there is a need to look for new sources and less pollutants. In this sense, many studies are already being done to achieve this, with new techniques to improve combustion and use of fuels from renewable sources that may cause less environmental impacts, such as ethanol. Ethanol is known to have high octane rating, resisting high compression ratios and can be used in compression ignition engines. However, it also has a low cetane number, which results in a longer ignition delay time compared to diesel oil. Based on the above, this work aims to study a simplified compression ignition engine, using numerical simulations, using diesel fuel and ethanol blends as fuel, in order to better understand the potential and limitations of ethanol use on this kind of engine. The program does not have functions that represent heat transfer to the surfaces of the system, nor fuel phase transformation from liquid to gas, thus, the study is more directed in the chemical kinetics of the interaction between the two fuels, using a detailed kinetic mechanism. Simulations were performed by varying the displaced volume, percentage of ethanol in the fuel mixture, and the multiple injection technique was applied to understand its influence on the results. A secondary constant volume reactor simulation was also performed to analyze the ignition delay of diesel fuel by adding ethanol percentages. This secondary simulation confirms the increased ignition delay due to ethanol. In the main program, analyzes of expansion power, emissions of formaldehyde, carbon monoxide and nitrogen monoxide were performed as a function of rotation. Ethanol was found to increase the expansion power, and ethanol had a greater or lesser influence on pollutant formation, depending on species, injection and rotation conditions. The analyzes were made based on the simplifying hypotheses, thus, improvements can still be made to obtain more real results and subsequent comparison with the results obtained here.