Estudo da ocorrência de knock para misturas de isooctano e n-heptano em um motor CFR modificado

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Fischer, Ivanir
• Orientador(a): Pereira, Fernando Marcelo
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Palavras-chave em Português: Cinética química; Combustíveis; Hidrocarbonetos; Motor de combustão interna
• Palavras-chave em Inglês: Knock; Chemical kinetics; Isooctane; N-heptane; CFR; Chemkin
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/10183/215269

O knock é um fenômeno com alto potencial de dano e um dos principais obstáculos no aumento da eficiência térmica dos motores de combustão interna pois limita o aumento da razão de compressão com ponto de ignição ótimo. Entender este fenômeno ainda é fundamental para o desenvolvimento de motores mais eficientes. Diversos estudos vêm propondo modelos computacionais para prever o knock e, consequentemente, reduzir o custo de desenvolvimento dos motores de combustão interna. Uma das formas de modelagem utiliza mecanismos de cinética química para predição da autoignição da zona não queimada que é condição para a ocorrência de knock. Neste estudo um motor CFR foi instrumentado com uma injeção eletrônica programável para controlar a injeção de combustível e o ponto de ignição do motor e, um sensor piezoelétrico foi instalado na câmara de combustão para detecção de knock a partir da pressão de cilindro. Foram realizados testes utilizando isooctano (I) e n-heptano (H) como combustíveis, misturados nos percentuais volumétricos I100H0, I80H20, I60H40, I40H60, I20H80 e I0H100. Cada mistura foi testada para uma ampla faixa de razões de compressão e em cada razão de compressão o ponto de ignição foi avançado até a detecção do knock audível. Para cada ponto de teste foram adquiridos 200 ciclos de pressão de cilindro e pós processados em Matlab para o cálculo do fator de knock, fração de massa queimada, taxa de liberação de calor, ponto de 50% da massa queimada, pressão média efetiva indicada (IMEP), coeficiente de variação do IMEP e eficiência térmica. Um modelo de duas zonas do software Chemkin foi utilizado para avaliação do knock computacionalmente. Nesse modelo, uma frente de chama se propaga pela câmara de combustão transformando reagentes em produtos e concomitantemente um mecanismo de cinética química rege as reações da zona não queimada identificando uma possível autoignição. Esse modelo, utiliza como dado de entrada a curva de fração de massa queimada. Identificou-se que a utilização da curva de massa queimada proveniente da média dos 200 ciclos testados não é capaz de prever o knock neste modelo computacional pois, mesmo com o motor em condições de knock, a maioria dos ciclos são de combustão normal, logo, a média desses ciclos aproximam a curva de fração de massa queimada para uma curva de combustão normal. A separação e utilização apenas dos ciclos com knock para obter a curva de fração de massa queimada e utilizar como entrada no modelo se mostrou eficaz para a previsão do knock computacionalmente. Foram simulados ciclos para as seis misturas de combustíveis utilizadas no trabalho experimental. Tanto os resultados experimentais como os numéricos mostraram a maior tendência de ocorrência de knock para o n-heptano. A intensidade do knock aumentou progressivamente com o aumento do percentual de n-heptano na mistura. Além disso, o método estocástico de detecção do knock utilizado no trabalho experimental se mostrou uma boa ferramenta para quantificar a intensidade do knock e encontrar o ponto de ignição para início de sua ocorrência.