Análise numérica transiente com validação experimental do escoamento em motores de combustão interna considerando diferentes aberturas de válvula

Abstract

Com o crescente aumento dos problemas ambientais relacionados à emissão de poluentes, normas cada vez mais rigorosas estão sendo implementadas para diminuir a emissão de gases nocivos provenientes da queima de hidrocarbonetos em motores de combustão interna. Um importante fator que influencia na geração de gases poluentes em motores é o comportamento do escoamento no cilindro, desde o início da admissão até a fase de combustão. O presente trabalho realiza um estudo numérico com validação experimental do escoamento no motor Honda GX35, considerando diversas aberturas de válvula fixas e diferenças de pressão para gerar o escoamento. A validação da metodologia numérica é realizada através da comparação dos resultados do coeficiente de descarga para todas as aberturas de válvula utilizadas. A medição da vazão de ar na metodologia experimental é realizada com um anemômetro de filme quente de aplicação automotiva, calibrado para as condições do teste. Já a metodologia numérica utiliza dois modelos de turbulência, k-ω SST e k-ε standard. Os resultados numéricos apresentaram boa concordância com os experimentais para ambos os modelos adotados, quanto ao coeficiente de descarga. Entretanto, a diferença de comportamento do escoamento no interior do cilindro é elevada, pois o modelo k-ω SST é capaz de captar a oscilação transiente do jato que se forma na saída da válvula, inexistente no k-ε standard. O comportamento transiente causa uma significativa variação da vorticidade média em um plano perpendicular ao cilindro, com o escoamento trocando de direção principal de rotação em alguns instantes. Dados numéricos médios e de variação ao longo do tempo para swirl e tumble também são apresentados e discutidos. Ao analisar a oscilação da vazão mássica na fronteira de saída do domínio, frequências de aproximadamente 1300 Hz são captadas. Tais frequências são confrontadas com resultados experimentais obtidos pelo presente grupo de pesquisa para medições de oscilação de pressão no coletor de admissão do mesmo motor. O desvio percentual relativo para a frequência de oscilação é de 0,3%, o que demonstra a correta predição, tanto do fenômeno de desprendimento de vórtice quanto do coeficiente de descarga obtido através do modelo de turbulência k-ω SST.

With the increasing environmental problems concerning pollutant emissions, stringent standards have been applied in order to decrease harmful gases produced by the hydrocarbons combustion in internal combustion engines. The flow behaviour within the cylinder is an important factor that affects the emission’s formation in engines, since the intake stroke until the combustion. This work performs a numerical study with experimental validation of fluid flow at Honda GX35 engine, considering different fixed valve lifts and suction pressures to generate the flow. The validation of the numerical methodology is made through the discharge coefficient and flow pattern comparisons for all valve lifts utilized. The mass flow rate in the intake system is measured with an automotive hot film anemometer, calibrated for the test’s conditions. Regarding the computational solution for the turbulent air flow, two turbulence models were utilized: SST k-ω and k-ε standard. Although the numerical results presented a good agreement with the experimental data concerning the discharge coeficient, the flow pattern comparisons presented a high discrepancy among the models utilized. The SST k-ω model is capable to capture the transient behaviour of the jet formed in the valve exit, constituting the main difference between them. The transient oscillation causes a significant difference of mean vorticity in a cylinder section plane, with the bulk flow changing its main rotation along the time. The averaged and transient numerical data of swirl and tumble are presented and discussed. In the frequency analysis of the numerical mass flow rate oscillations, obtained at the outlet boundary, presented an average value about 1300 Hz. Such frequencies, when compared with experimental results obtained by the present research group for the pulsating pressure waves into the intake duct of the same engine, had a relative percentage deviation of 0.3%. The agreement between the results using the SST k-ω model reveals the correct prediction of vortex shedding frequency and discharge coefficient.