Efeitos da combustão do biogás com ar enriquecido de oxigênio em um motor de combustão interna de ignição por centelha

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Pereira, James Gomes, 1997-
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: [s.n.]
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Motores de combustão interna
Biogás
Oxigênio
Combustão
Internal combustion engines
Biogas
Oxygen
Combustion
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.12733/38116
Resumo: Orientador: Waldyr Luiz Ribeiro Gallo
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spelling Efeitos da combustão do biogás com ar enriquecido de oxigênio em um motor de combustão interna de ignição por centelhaEffects of biogas combustion with oxygen-enriched air in a spark-ignition internal combustion engineMotores de combustão internaBiogásOxigênioCombustãoInternal combustion enginesBiogasOxygenCombustionOrientador: Waldyr Luiz Ribeiro GalloDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: O desenvolvimento dos motores de combustão interna (MCI) provou ser um dos maiores avanços tecnológicos da humanidade, uma vez que seu progresso influenciou significativamente o avanço do mundo nos campos de geração de potência, energia e propulsão. Apesar do advento de novas tecnologias, que vêm impactando o emprego desses motores, sobretudo no setor de transportes, em função da crescente necessidade de mitigação das emissões de gases de efeito estufa e da preocupação com a eventual escassez das reservas petrolíferas, o contínuo desenvolvimento de novas tecnologias e a possibilidade de usar combustíveis alternativos em substituição aos combustíveis fósseis garantem que esses motores ainda tenham um futuro duradouro. Uma das alternativas promissoras nesse sentido é a utilização do biogás, produzido a partir da decomposição anaeróbica de material orgânico e predominantemente composto por metano (CH$_4$) e dióxido de carbono (CO$_2$), combinado com ar enriquecido de oxigênio. Apesar do grande potencial de utilização do biogás ainda existem grandes desafios a serem superados para viabilizar a sua utilização em larga escala, incluindo estudos empregando simulações computacionais que permitam um melhor entendimento do fenômeno de combustão turbulenta em motores. O objetivo deste estudo é avaliar, através de um modelo de simulação computacional, os efeitos do biogás com ar enriquecido de oxigênio em um MCI de ignição por centelha e o seu impacto nos parâmetros de desempenho desses motores. O modelo de simulação adotado fundamenta-se em uma formulação quasi-dimensional de duas zonas, composta por um modelo termodinâmico e por um modelo de combustão turbulenta, sendo este último empregado para a determinação do perfil da fração de massa queimada a partir da velocidade de chama turbulenta. As velocidades de chama laminar do biogás foram determinadas a partir do mecanismo de cinética química \textit{GRI-Mech 3.0\_highT}, implementado no pacote computacional Cantera, considerando-se uma composição de 60\% em volume de CH$_4$e 40\% em volume de CO$_2$ , bem como a variação da concentração de oxigênio no ar de admissão entre 21\% e 30\% v/v de O$_2$ . A validação do modelo foi realizada utilizando etanol hidratado (95\% de etanol e 5\% de água) como combustível, com base em dados disponíveis na literatura, obtendo-se diferença relativa máxima de 1,36\% em relação aos parâmetros de desempenho. O enriquecimento de oxigênio foi avaliado em conjunto com a variação da razão de compressão (12:1 a 16:1) e da pressão de admissão, sendo que os resultados indicaram o uso de compressor ou turbocompressor para o aumento da pressão de admissão como alternativa mais promissora, proporcionando incrementos mais expressivos nos parâmetros de desempenho e um ganho de 44\% na eficiência volumétrica, quando comparados os valores obtidos nas pressões mínima e máxima de admissão, sem evidências de risco de detonaçãoAbstract: The development of internal combustion engines (ICE) has proven to be one of humanity's greatest technological advances, as their progress has significantly influenced the world's advancement in the fields of power generation, energy, and propulsion. Despite the advent of new technologies, which have impacted the use of these engines, especially in the transportation sector, due to the growing need to mitigate greenhouse gas emissions and concerns about the eventual depletion of oil reserves, the continuous development of new technologies and the possibility of using alternative fuels to replace fossil fuels ensure that these engines still have a long-lasting future. One promising alternative in this regard is the use of biogas, produced from the anaerobic decomposition of organic material and predominantly composed of methane (CH$_4$) and carbon dioxide (CO$_2$), combined with oxygen-enriched air. Despite the great potential for using biogas, there are still major challenges to be overcome to enable its large-scale use, including studies using computer simulations to better understand the phenomenon of turbulent combustion in engines. The objective of this study is to evaluate, through a computer simulation model, the effects of biogas with oxygen-enriched air on a spark ignition MCI and its impact on the performance parameters of these engines. The simulation model adopted is based on a quasi-dimensional two-zone formulation, consisting of a thermodynamic model and a turbulent combustion model, the latter being used to determine the profile of the mass fraction burned from the turbulent flame velocity. The laminar flame velocities of biogas were determined based on the chemical kinetics mechanism \textit{GRI-Mech 3.0\_highT}, implemented in the Cantera computational package, considering a composition of 60\% by volume of CH$_4$ and 40\% by volume of CO$_2$ , as well as the variation in oxygen concentration in the intake air between 21\% and 30\% v/v of O$_2$ . The model was validated using hydrated ethanol (95\% ethanol and 5\% water) as fuel, based on data available in the literature, obtaining a maximum relative difference of 1.36\% in relation to the performance parameters. Oxygen enrichment was evaluated in conjunction with the variation in the compression ratio (12:1 to 16:1) and intake pressure, with the results indicating the use of a compressor or turbocharger to increase intake pressure as the most promising alternative, providing more significant increases in performance parameters and a 44\% gain in volumetric efficiency when comparing the values obtained at minimum and maximum intake pressures, with no evidence of detonation riskAbertoMestradoTérmica e FluidosMestre em Engenharia MecânicaCAPES001[s.n.]Gallo, Waldyr Luiz Ribeiro, 1954-Santos, Rogério Gonçalves dosLanzanova, Thompson Diórdinis MetzkaUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASPereira, James Gomes, 1997-20252025-08-22T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdf1 recurso online (131 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/38116PEREIRA, James Gomes. Efeitos da combustão do biogás com ar enriquecido de oxigênio em um motor de combustão interna de ignição por centelha. 2025. 1 recurso online (131 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: 20.500.12733/38116. Acesso em: 27 abr. 2026.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1522867Cover: https://repositorio.unicamp.br/capa/capa?codigo=1522867Requisitos do sistema: Software para leitura de arquivo em PDFporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2026-03-05T17:35:52Zoai::1522867Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2026-03-05T17:35:52Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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