Otimização de motores a combustão interna de ignição por compressão (ICO) alimentados por misturas de biodiesel/biogás

Abstract

Resumo: A dissertação realizou a otimização termodinâmica de um motor a combustão interna de ICO com misturas de combustíveis, através do método da minimização da geração de entropia. Partindo de um modelo matemático existente e validado experimentalmente, adicionou-se ao modelo numérico o sistema de bombeamento de combustível com base na modelagem de sistemas físicos, aprimorando os resultados da simulação quando os parâmetros são avaliados assintoticamente. Também foi adicionado ao modelo a eficiência volumétrica, aproximando os resultados ainda mais dos valores experimentais. O método utilizado para calcular a mínima geração de entropia média do sistema foi a modelagem matemática pela segunda lei da termodinâmica do sistema, gerando equações diferenciais ordinárias (EDO) para cada etapa do ciclo motor ICO. A taxa de entropia média gerada no ciclo motor foi calculada pela soma das taxas de geração de entropia em todas as etapas do ciclo. A seguir, todas as EDO e variáveis do sistema foram adimensionalizadas, e o estudo de otimização foi assim normalizado para generalização dos resultados. O problema de otimização foi formulado com base em análises paramétricas, tanto de parâmetros operacionais quanto geométricos de um motor ICO, e as funções objetivo para otimização são as eficiências termodinâmicas do sistema, nef e nII. Para as variáveis operacionais, uma curva ótima para a razão de corte, rc,ótimo foi apresentada para uma faixa de rotação do motor dada por 800 < N <300rpm. Igualmente para a razão de equivalência, Fi, um máximo para nef é identificado para valores na faixa 0,8 < Fi < 0,9 Similarmente para as variáveis geométricas, o adimensional do diâmetro das válvulas do motor, Teta, apresentou uma faixa ótima de operação para 0,25 < Teta </= 1, e para Teta < 0,25, nII diminui significativamente, porém, o coeficiente de descarga, Cd, compensa parte das perdas, se ele for melhorado pelo menos na ordem de 12%. Para as relações cinemáticas do motor ICO, somente, o diâmetro-curso do pistão, B, apresentou um máximo em B = 0,5. E, para a taxa de compressão, CR um máximo para nef foi identificado para a faixa 16 < CR <19. Curvas de irreversibilidade em função da composição das misturas de combustíveis são apresentadas e, as misturas de Biodiesel/Biogás tenderam aos valores de Biodiesel puro. Portanto, as principais conclusões e contribuições desta dissertação são: foi realizada uma otimização termodinâmica de um modelo matemático transiente e adimensional para qualquer motor ICO, com modelagem do processo de combustão, possibilitando a análise das misturas Diesel, biodiesel e biogás; conhecimento da curva rc,ótimo para qualquer faixa de operação de um motor ICO, sendo que isto não era disponível na literatura atual, bem como as análises de otimização termodinâmica adimensionais para as relações cinemáticas de um motor ICO também não eram disponíveis na literatura, dentro do conhecimento do autor. Como um resultado desta dissertação, o modelo matemático encontra-se preparado para realizar a análise construtal, e termoeconômica de motores ICO. Para trabalhos futuros, sugere-se incluir no modelo o cálculo de emissões, com posterior validação experimental, a fim de permitir que o modelo seja capaz de prever e minimizar o impacto ambiental de motores ICO multicombustíveis.

Abstract: The dissertation carried out the thermodynamic optimization of an ICO internal combustion engine with fuel mixtures, through the method of minimizing the generation of entropy. Starting from an existing mathematical model and experimentally validated, the fuel pumping system based on the modeling of physical systems was added to the numerical model, improving the results of the simulation when the parameters are evaluated asymptotically. Volumetric efficiency was also added to the model, bringing the results even closer to the experimental values. The method used to calculate the minimum average entropy generation of the system was mathematical modeling by the second law of the system's thermodynamics, generating ordinary differential equations (ODE) for each stage of the ICO motor cycle. The average entropy rate generated in the motor cycle was calculated by adding the entropy generation rates at all stages of the cycle. Next, all ODE and system variables were dimensioned, and the optimization study was thus normalized to generalize the results. The optimization problem was formulated based on parametric analysis, both of operational and geometric parameters of an ICO engine, and the objective functions for optimization are the thermodynamic efficiencies of the system, nef and nII. For the operational variables, an optimal curve for the cut-off ratio, rc,ótimo was presented for an engine speed range given by 800< N <3000rpm. Also, for the equivalence ratio, Fi,a maximum for nef is identified for values in the range 0,8 < Fi < 0,9. Similarly for the geometric variables, the dimensionless diameter of the engine valves, Teta, presented an optimal range of operation for 0,25 < Teta </= 1 and, for Teta < 0,25, the nII significantly decreases, however, the discharge coefficient, Cd, compensates for part of the losses, if it is improved by at least 12%. For the kinematic relations of the ICO engine, only the piston stroke-diameter, B showed a maximum in B = 0,5 . Also, for the compression rate, CR, a maximum for nef was identified for values in the range 16< CR <19. Irreversibility curves according to the composition of the fuel mixtures are presented and, the Biodiesel/Biogas mixtures tended to the values of pure Biodiesel. Therefore, the main conclusions and contributions of this dissertation are: a thermodynamic optimization of a transient and dimensionless mathematical model was performed for any ICO engine, with modeling of the combustion process, enabling the analysis of diesel, biodiesel and biogas mixtures; knowledge of the rc,ótimo curve for any operating range of an ICO engine, which was not available in the current literature, as well as the dimensionless thermodynamic optimization analyzes for the kinematic relationships of an ICO engine were also not available in the literature, within the knowledge of the author. As a result of this dissertation, the mathematical model is prepared to carry out the structural and thermoeconomic analysis of ICO engines. For future work, it is suggested to include the emission calculation in the model, with subsequent experimental validation, in order to allow the model to be able to predict and minimize the environmental impact of multi-fuel ICO engines.