Modelagem, simulação e otimização de motores a combustão interna de ignição por compressão (ICO) Diesel/H2

Abstract

Resumo: O período de revolução industrial foi responsável pelo desenvolvimento tecnológico, aliado com o desenvolvimento da matriz energética. Assim foi possível melhorar a qualidade de vida do ser humano, aumentando a capacidade de distribuição de recursos, e sustentabilidade. Essa evolução se deu através do desenvolvimento de equipamentos que permitiam transformar a energia química de combustíveis em energia mecânica, através de caldeiras, e motores a combustão. Porém com o passar do tempo e o crescimento populacional aliado ao alto consumo energético, evidenciado tanto pelo aumento do número de meios de transporte nas cidades quanto pelo uso intensivo de energia elétrica, tem-se intensificado. Esse cenário tem contribuído significativamente para a emissão de gases de efeito estufa, oriundos do processo de combustão, os quais são responsáveis pelo aquecimento global. No intuito de manter a geração de energia, seja para meios de transporte ou para meios estacionários, uma alternativa é a utilização de hidrogênio, que pode ser gerado através de energias renováveis ou reação de alumínio e NaOH. Esse combustível, devido à ausência de carbono, não gera gases do efeito estufa, assim sendo uma possibilidade de desenvolvimento. Visando a viabilidade da produção de energia, especialmente para o método estacionário, esta dissertação propõe a modelagem e a simulação de um motor a combustão com fluido de trabalho sendo diesel e hidrogênio, sendo o primeiro combustível como chama piloto. Para a modelagem foram utilizadas a primeira e a segunda lei da termodinâmica aplicada a cada parte do ciclo motor de um motor quatro tempos. Visando a aplicação em um motor real, os parâmetros utilizados como base foram de um moto gerador que o grupo de pesquisa possui, assim determinando desde o RPM até outras características úteis à modelagem. Como parâmetro de otimização da simulação foi analisada a geração de entropia de cada ciclo motor, assim permitindo que o motor seja otimizado. Ao total foram analisados quatro parâmetros que tem influência no funcionamento do motor, sendo a rotação do motor, o ângulo do virabrequim, o diâmetro do pistão o diâmetro da manivela. Visando a diminuição de exergia destruída, percebeu-se que a rotação é de aproximadamente 1500 RPM, no caso do ângulo de injeção para o menor valor possível considerando a combustão recomenda-se o intervalo de 30º a 50º, para o diâmetro do pistão recomenda-se 0,1 m para o mínimo de exergia destruída

Abstract: The Industrial Revolution was responsible for technological advances alongside the development of an energy matrix. That improved the quality of human life through the distribution of resources and sustainability. The development began with the assembly of equipment that were able to turn chemical energy from fuels into mechanical energy using boilers and combustion engines. Over time, population growth combined with increasing energy demand, evidenced by the rising number of transportation vehicles in urban areas and the intensive use of electrical energy, has become increasingly pronounced. This situation has substantially contributed to the emission of greenhouse gases originating from combustion processes, which are recognized as major drivers of global warming. To keep the energy generation at the level required either for transportation or stationary applications, hydrogen has become a fuel alternative. Hydrogen can be generated by electrolysis using renewable energy sources or by the chemical reaction of aluminum and sodium hydroxide. Hydrogen does not have carbon in its chemical structure, therefore when burnt, it does not generate carbon dioxide. Aiming stationary power generation, the herein study presents a mathematical model and simulation tool for internal combustion engines working with a mixture of diesel and hydrogen as fuel and having diesel as the pilot flame. The mathematical model applies the first and second law of thermodynamics into each stroke of a four-stroke engine. The parameters considered in this study, for example RPM, are based on a real engine. The entropy generation in each stroke was computed and taken into consideration for optimization purposes. In total, four parameters influencing engine performance were analyzed, namely engine speed, crankshaft angle, piston diameter, and crank radius. Aiming to minimize the exergy destruction, it was observed that the optimal engine speed is approximately 1500 RPM. Regarding the injection angle, the smallest possible value compatible with efficient combustion is recommended, typically within the range of 30° to 50°. For the piston diameter, a value of 0.1 m is suggested to achieve the minimum exergy destruction