Simulação numérica para otimização de um motor de baixa cilindrada para competição de eficiência energética

Abstract

O aquecimento global é um dos maiores problemas que a sociedade moderna está enfrentando, e a fonte de energia mais utilizada nos veículos de hoje, os combustíveis nos motores de combustão interna, são um dos maiores vilões. Este assunto tem sido amplamente discutido por agências governamentais, instituições de pesquisa e pela indústria, pressionando-as a encontrar soluções, desenvolvendo motores mais limpos e mais eficientes. Visando essas soluções, a Shell Oil Company criou a competição Shell Eco Marathon (SEM) para incentivar os estudantes universitários a projetar e construir alguns dos protótipos veiculares mais eficientes do mundo, com base nas matrizes energéticas existentes. Neste trabalho, ao combinar a análise computacional, usando AVL-BOOST, com uma ferramenta de melhoria contínua (Design of Experiments - DOE), foi realizado um estudo de otimização de motores. Para este fim, foi utilizado um motor de combustão interna de um cilindro, de 35,8cc e 1,4hp, de ignição por faísca, usado pela equipe EFICEM/CTJ/UFSC na Shell Eco-Marathon. A simulação numérica requer a alimentação do programa com os parâmetros geométricos e de operação do motor e, usando DOE para alternar alguns desses parâmetros, tais como razão de compressão, geometria e tamanho da tubulação, tempo de válvula e avanço da ignição, tornou possível determinar o melhor desempenho possível do motor comparando o resultado com os dados obtidos da documentação técnica do motor, bem como as curvas de operação de potência e torque para a validação e otimização do modelo. Os modelos de transferência de calor utilizados em tubulações e cilindros, assim como o modelo de combustão, foram escolhidos com base na revisão da literatura. Dependendo do parâmetro explorado do motor, foi possível obter melhorias na faixa de 11% a 26% no consumo específico de combustível, potência e torque.

Global warming is one of the major problems that modern society is facing, and the most widely used energy source in vehicles today, the fuels in the internal combustion engines, are one of the biggest villains. This matter has been discussed widely by government agencies, research institutions, and the industry, pressing them to find solutions, developing cleaner and more efficient engines. Aiming at these solutions, Shell Oil Company created the Shell Eco Marathon (SEM) competition to encourage university students to design and build some of the world’s most efficient vehicular prototypes based on the existing energy matrices. In this work, while combining computational analysis, using AVL-BOOST, with a continuous improvement tool (Design of Experiments - DOE), an engine optimization study was performed. For this purpose, a single-cylinder, 35,8cc, 1,4hp, spark-ignition internal combustion engine, used by the EFICEM/CTJ/UFSC at the Shell Eco-Marathon, was used. The numerical simulation requires to feed the software with the engine’s geometric and operation parameters and, using DOE to alternate some of these parameters such as compression ratio, pipeline geometry and size, valve timing, and spark advance made it possible to determine the best possible engine performance comparing the result with data obtained from the engine’s technical documentation as well as the power and torque operation curves for the model validation and optimization. The heat transfer models used in pipelines and cylinders, as well as the combustion model, were chosen based on the literature review. Depending on the explored engine parameter, it was possible to obtain improvements in the range of 11% to 26% in the specific fuel consumption, power and torque.