Zero-dimensional model with a wiebe function and shifting chemical equilibrium for spark ignited combustion engines

Abstract

A performance de um motor flex-fuel foi avaliada a partir de um modelo numérico zero-dimensional de uma zona para motores de combustão interna de ignição por centelha desenvolvido no presente trabalho. Neste modelo, o cálculo da energia liberada durante o processo de combustão foi implementado utilizando a função de Wiebe junto com a hipótese de equilíbrio químico a cada instante de tempo durante o intervalo da combustão. Este método de cálculo difere do uso comum do poder calorífico inferior do combustível que superestima as temperaturas do processo. Além disso, o modelo compreende os fenômenos físicos de transferência de calor e vazões mássicas de admissão e exaustão, permitindo assim simulações de um ciclo completo do motor. As análises feitas foram baseadas em um motor CFR monocilíndrico operando em regime permanente a 900 rotações por minuto com carga fixa de 330 kPa de pressão média efetiva indicada líquida e abastecido com misturas de gasolina e etanol. Ambas funções de Wiebe simples e dupla para foram utilizadas para representar a fração mássica de combustível queimada. Parâmetros como pressão de pico, consumo específico de combustível e eficiência da conversão de combustível foram avaliados perante variações da concentração de etanol, razão de compressão e razão de equivalência. As concentrações de CO e CO2 ao fim do processo de combustão também foram avaliadas. A comparação com os resultados experimentais indicou uma redução na diferença de pressão de pico de 164.4 para 112 kPa no caso da Wiebe simples e de 17.00 para 10.42 no caso da Wiebe dupla. O aumento na quantidade de etanol resultou num aumento do consumo específico de combustível como também na eficiência de conversão de combustível. A concentração de CO2 ao final da combustão aumentou com a quantidade de etanol e a de CO diminuiu. Com respeito ao aumento na razão de compressão, um menor consumo de combustível foi alcançado e também uma maior eficiência na conversão de combustível. A concentração de CO2 ao fim da combustão aumentou com a razão de compressão e a de CO diminuiu. No caso de razão de equivalência, para maiores valores desse parâmetro, um maior consumo de combustível foi observado e uma menor eficiência na conversão de combustível também. A concentração de CO2 ao final da combustão diminuiu e a de CO aumentou com o aumento da razão de equivalência. Além do mais, o comportamento do motor perante variações na concentração de etanol, razão de compressão e razão de equivalência se mostrou coerente com a literatura revisada. A nova abordagem sugerida utilizando equilíbrio químico apresentou-se apropriada para o cálculo da energia liberada durante o processo de combustão para as condições de operação testadas.

Abstract : The performance of a flex-fuel engine was evaluated by a zero-dimensional single-zone model for spark ignited internal combustion engines developed in the present work. In this model, the combustion energy release calculation was implemented utilizing a Wiebe function with the chemical equilibrium hypothesis in each time step during the combustion interval. This method differs from the traditional use of the fuel lower heating value, which overestimates the temperature of the process. Besides that, the model comprehends the physical phenomena of heat transfer and intake and exhaust mass flows, allowing complete cycle simulations to be performed. The analyses were based on a CFR single cylinder engine operating in steady state condition at 900 RPM with a constant load of 330 kPa of net indicated mean effective pressure (nimep) fueled with gasoline-ethanol blends. Both single and double Wiebe functions were used to represent the burned mass fraction. Parameters such as peak pressure, specific fuel consumption and fuel conversion efficiency were evaluated for variations of ethanol concentration, compression ratio and equivalence ratio. The concentrations of CO and CO2 at the end of the combustion were also examined. Comparison to measurements indicated peak pressure difference reduction from 164.40 to 112.00 kPa in the single Wiebe case and from 17.00 to 10.42 kPa in the double Wiebe case. The increase in the ethanol concentration resulted in higher fuel consumption but also a higher fuel conversion efficiency. The CO2 concentration at the end of combustion increased with the ethanol content and the CO decreased. Regarding the increase in the compression ratio, a lower fuel consumption was achieved and also, a higher fuel conversion efficiency occurred. The CO2 concentration at the end of the combustion increased with the compression ratio and the CO decreased. In the case of the equivalence ratio, for higher values of the parameter, a higher fuel consumption was observed and a lower fuel conversion efficiency too. The CO2 concentration at the end of the combustion decreased and the CO increased with the increase in the equivalence ratio. The behavior of the engine for ethanol content, compression ratio and equivalence ratio variations was coherent with the reviewed literature. The new suggested approach using chemical equilibrium came out to be appropriate to the combustion analyses for the tested operational conditions.