Modelagem do aquecimento de combustível a altas pressões [recurso eletrônico] = Fuel heating modeling at very high pressure
Hugo Marmori de Morais
DISSERTAÇÃO
Inglês
T/UNICAMP M792m
[Fuel heating modeling at very high pressure]
Campinas, SP : [s.n.], 2023.
1 recurso online (152 p.) : il., digital, arquivo PDF.
Orientador: Rogério Gonçalves dos Santos
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica
Resumo: A partida a frio é um problema bem conhecido na indústria automotiva. A injeção direta é uma das soluções para este problema, pois ela leva a uma melhor atomização do combustível na câmara de combustão. Porém, o aquecimento do combustível melhora as características do spray e também facilita...
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Resumo: A partida a frio é um problema bem conhecido na indústria automotiva. A injeção direta é uma das soluções para este problema, pois ela leva a uma melhor atomização do combustível na câmara de combustão. Porém, o aquecimento do combustível melhora as características do spray e também facilita a evaporação do combustível criando uma mistura mais homogênea. No processo de aquecimento uma alta potência é aplicado através de uma pequena superfície, o que pode resultar em ebulição do combustível em pressões inferiores à pressão crítica, e em convecção natural com forte variação de propriedades a pressões superiores à crítica. O objetivo deste trabalho é modelar a transferência de calor por ebulição e convecção natural em altas pressões, buscando aplicá-la em motores de injeção direta. Para a ebulição nucleada, avaliamos 5 correlações de coeficiente de transferência de calor para componentes puros, cinco correlações para misturas e três equações de estados. As métricas de avaliação foram o desvio global, desvio global absoluto e o $\gamma_{30}$. Duas correlações para componentes puros se sobressairam, \citeonline{gorenflo2010h2} e \citeonline{ribatski2003experimental}, enquanto que nas misturas as correlações tiveram resultados similares. Já as equações de estado não apresentaram grande influência. Conhecida a melhor combinação, foi feita a previsão do coeficiente de transferência de calor a altas pressões para etanol, gasolina e misturas. Para a gasolina, as duas correlações de componentes puros não apresentaram grandes divergência, já para misturas e etanol, quanto maior a quantidade do álcool, maior a distancia entre as correlações. Além disso, próximo ao ponto crítico ocorre um rápido crescimento do coeficiente de transferência de calor. Para a convecção natural supercrítica, foi utilizado uma abordagem diferente. Foram realizadas simulações transientes de convecção natural para o etanol supercrítico com diferentes fluxos de calor em uma geometria 2D similar a um aquecedor de combustível. Em seguida, foi avaliado o comportamento do fluido durante a simulação e comparou-se os coeficientes de transferência de calor da simulação com correlações de convecção natural para cilindros concêntricos. Para que o fluido supercrítico passe a afetar a convecção natural devido a sua rápida variação de propriedades perto do ponto pseudocrítico, é necessário certo nível de fluxo de calor em pressões determinadas. É recomendado utilizar propriedades na média integral quando a o fluido atinge temperaturas acima da temperatura pseudocrítica. Existem indícios de um regime turbulento no topo da geometria do aquecedor
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Abstract: Cold start is a well-known problem in the automotive industry. Direct injection is one of the possible solutions, because higher injection pressures improves fuel atomization. However, heating the fuel improves the mixture formation, making it more homogeneous. In the heating process, a...
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Abstract: Cold start is a well-known problem in the automotive industry. Direct injection is one of the possible solutions, because higher injection pressures improves fuel atomization. However, heating the fuel improves the mixture formation, making it more homogeneous. In the heating process, a high heat level is applied across a small surface area, which can result in fuel boiling at pressures below the critical pressure, and in natural convection with strong property variation at pressures above the critical pressure. The objective of this present study is to model heat transfer by boiling and natural convection at high pressures, seeking to apply it in direct injection engines. For nucleate boiling, we evaluated five heat transfer coefficient correlations for pure components, five correlations for mixtures, and 3 equations of states. The metrics for analysis were global deviation, absolute global deviation, and $\gamma_{30}$. Two correlations for pure components stood out - \citeonline{gorenflo2010h2} and \citeonline{ribatski2003experimental}, while in the mixtures the correlations had similar results. On the other hand, the equations of state did not show great influence. Once the best combination was known, the heat transfer coefficient was predicted at high pressures for ethanol, gasoline, and blends. For gasoline, the 2 pure component correlations did not show great divergence. For blends and ethanol, the greater the amount of alcohol, the greater the distance between the correlations. Close to the critical point, a rapid increase in the heat transfer coefficient occurs. For supercritical natural convection, a different approach was used. Transient supercritical natural convection simulations were performed for ethanol with different heat fluxes in a 2D geometry similar to a fuel heater. Then, the behavior of the fluid during the simulation was evaluated and the heat transfer coefficient from the CFD were compared with correlations. For the supercritical fluid to affect natural convection due to its rapid change in properties near the pseudocritical point, a certain degree of heat flux at certain pressure levels is required. Average temperature properties are suitable when the fluid reaches temperatures above the pseudocritical temperature. There are indications of a turbulent regime at the top of the heater geometry
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Modelagem do aquecimento de combustível a altas pressões [recurso eletrônico] = Fuel heating modeling at very high pressure
Hugo Marmori de Morais
Modelagem do aquecimento de combustível a altas pressões [recurso eletrônico] = Fuel heating modeling at very high pressure
Hugo Marmori de Morais