Predição de emissões de um motor moderno utilizando modelo de simulação de cilindro 0D

Orientadores: Rogério Gonçalves dos Santos, Mario Eduardo dos Santos Martins Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica Resumo: As legislações de emissões estão ficando mais rigorosas ano após ano, exigindo maiores esforços de desenvolvimento. Mais e mais testes de emissões necessitam ser rodados, até que o motor esteja suficientemente ajustado para o mercado. Por outro lado, construir protótipos é bastante caro. Uma forma de reduzir os custos e tempo de desenvolvimento é usar simulações numéricas. Entretanto, a fim de predizer emissões corretamente, métodos mais complexos e computacionalmente caros são normalmente necessários, como dinâmica dos fluidos computacional (CFD) tridimensional (3D) acoplada com cálculos de cinética química. Tais simulações podem levar bastante tempo, mesmo para um único caso, fazendo-as valer a pena apenas para desenvolvimento conceitual. Este trabalho tem como objetivo avaliar um modelo zero-dimensional (0D) de cilindro acoplado com cinética química e sua capacidade de predizer emissões de NO e CO no escapamento, fruto da combustão com E10 (uma mistura de 10% de etanol com 90% de gasolina, em volume). Resultados de bancada de um motor Otto 3 cilindros, com 1,2 litros de volume deslocado, injeção direta e sobrealimentado rodando com E10 foram utilizados como referência na avaliação da precisão e adequação do modelo para este combustível. Dez diferentes conjuntos de coeficientes de reação para o Modelo Estendido de Zeldovich foram testados, e dois para o modelo de CO de uma única reação. Resultados de simulação de NO apresentaram desvios de até 50% quando comparados com medições. CO apresentou erros de até 372%, e o uso de cinética química gerou desvios maiores do que cálculos de equilíbrio químico simples. A simulação não foi capaz de reproduzir a tendência experimental de emissões para os pontos de operação testados. Aparentemente, isto pode ser uma consequência de desvios na predição de vazão de ar, apesar destes desvios estarem dentro da precisão esperada de modelos de motor 1D/0D Abstract: Engine emissions standards are getting more stringent year after year, requiring greater development efforts. More and more emissions tests have to be ran, until the engine is sufficiently tuned for the market. On the other hand, building prototypes is very expensive. One way of reducing development costs and time is to use numerical simulations. However, in order to predict emissions well, more complex and computationally expensive methods are usually necessary, like three-dimensional (3D) Computer Fluid Dynamics coupled with chemical kinetics calculations. Such simulations can take very long, even for one single case, making them only worth it for conceptual development. This work aims at evaluating a zero-dimensional (0D) cylinder model coupled with chemical kinetics and their suitability in predicting NO and CO exhaust emissions from combustion of E10 (a mixture of 10% ethanol with 90% gasoline, in a volume basis). Test bench results from a 3 cylinder, 1.2 liter turbocharged Direct Injection Spark Ignition engine, running on E10, were used as reference for evaluating model accuracy and suitability for this fuel. Ten different sets of rate coefficients for the Extended Zeldovich Model were tested, and two for the CO single reaction model. NO simulation results presented up to 50% deviation when compared to measurements. CO presented errors up to 372%, and the use of chemical kinetics produced higher deviations than simple equilibrium calculations. The simulation wasn’t able to reproduce the experimental emission’s trend for the tested operating points. Apparently, this was due to deviations in air flow predictions, although these deviations were within the expected accuracy of 1D/0D engine models Mestrado Térmica e Fluídos Mestre em Engenharia Mecânica FAPESP 2013/50238-3